ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР ДЛЯ ЛАЗЕРОВ НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ Российский патент 1997 года по МПК H01S3/00 H01S3/22 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при разработке и создании мощных лазеров, в том числе лазеров на свободных электронах (ЛСЭ).

Известен четырехзеркальный оптический резонатор, образованный двумя зеркалами скользящего падения (ЗСП) в форме гиперболы и двумя зеркалами в форме параболы [1]
Известен четырехзеркальный оптический резонатор кольцевого типа, образованный двумя зеркалами скользящего падения в форме гиперболоида вращения и двумя зеркалами в форме параболоида вращения [1, 2]
Недостатками известных оптических резонаторов являются: сложность изготовления, контроля формы и юстировки внеосевых асферических зеркал, большая база резонатора 70 м; проблема вывода мощного излучения ЛСЭ из оптического резонатора.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является двухзеркальный резонатор, близкий к концентрическому, образованный сферическими вогнутыми зеркалами [3]
Известные резонаторы для мощных ЛСЭ обладают рядом недостатков:
большая база резонатора 100^oC500 м;
высокая точность юстировки зеркал резонатора 1 угл.с;
виньетирование светового пучка на апертуре ондулятора при больших длинах волн;
высокая падающая мощность излучения на зеркалах;
проблема вывода излучения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение конструкции ЛСЭ; повышение интенсивности светового поля в области ондулятора, снижение плотности мощности на поверхности зеркал и уменьшение размеров резонатора.

Решение постановленной задачи осуществляется тем, что каждая поверхность зеркала резонатора образована вращением кривой (дуга окружности, эллипса, параболы и т.д.) или прямой вокруг оси, лежащей в плоскости этой кривой и не пересекающей ее, причем вершины поверхностей вращения зеркал лежат на одной оси вращения, совпадающей с осью резонатора, а нормали к каждой точке кривой или прямой пересекают ось вращения под углом.

Сравнение предложенного технического решения не только с прототипом, но и другими техническими решениями не позволило в них выявить признаки, отличающие заявленное техническое решение. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критериям "новизна" и "существенные отличия".

На фиг. 1а изображено предложенное устройство, где 1, 2 зеркала резонатора; 3 центральное отверстие; 4 ЛСЭ; 5 выходной ондулятор.

Поверхность зеркал 1, 2 образована вращением дуги окружности. Форма поверхности круговая бочка. Центры радиусов кривизны противолежащих дуг окружности, являющихся образующими поверхностей бочек, лежат на одной прямой. В зеркалах выполнены центральные отверстия.

В меридиональном и сагиттальном сечениях такой резонатор можно представить как два элементарных устойчивых резонатора, образованных вогнутыми зеркалами радиусами кривизны R₁ и R₂, с пересекающимися под углом 2J осями. Однако каждый элементарный резонатор в сагиттальном сечении будет образован зеркалами, радиусы кривизны которых будут меняться, а именно: с удалением от осевого отверстия к краю зеркала будут увеличиваться. Характер изменения радиусов кривизны зависит от геометрических параметров резонатора (в частности, от угла наклона J, размера осевого отверстия).

Размер отверстия 3 в зеркале выбирается исходя из диаметра электронного пучка. Угол наклона и длина резонатора определяются зоной взаимодействия электронного пучка с излучением; радиусы кривизн зеркал длиной перетяжки и выбираются из соображений минимизации размера области взаимодействия.

Для получения мощного излучения общепринятым является использование оптического резонатора только для пространственной модуляции плотности электронного пучка. Мощное выходное излучение ЛСЭ формируется в выходном ондуляторе 5, расположенном вне оптического резонатора. В предложенной конструкции ввод и вывод электронного пучка осуществляется через осевые отверстия зеркал резонатора.

При R ∞ поверхность зеркала образована вращением прямой. Форма поверхности зеркал коническая.

Возможно использование зеркал, форма поверхности которых параболическая бочка.

На фиг. 1б изображен предложенный резонатор, образованный зеркалами в форме эллипсоида вращения. Центр ондулятора ЛСЭ находится в совмещенных фокусах эллипсоидов первого и второго зеркал резонатора.

Световой пучок выходит из первого фокуса эллипсоида и, отражаясь от верхней части первого зеркала, пересекает второй фокус эллипсоида и падает на нижнюю часть первого зеркала, после отражения от которого попадает обратно в первый фокус эллипсоида (или в центр ондулятора). Поскольку фокусы эллипсоидов первого и второго зеркал совмещены, то световой пучок после отражения от верхней и нижней частей второго зеркального эллипсоида опять попадает в центр ондулятора. Такой резонатор эквивалентен конфокальному.

Отечественные и зарубежные разработанные образцы аналогичного назначения не известны.

Предложенный резонатор обладает следующими преимуществами:
1. Осевое отверстие в зеркале можно использовать для вывода (ввода) электронного пучка из резонатора (в резонатор).

2. Возможность использования электронного вывода без поворота электронного пучка, что позволит намного упростить конструкцию ЛСЭ.

3. Площадь пятна излучения на поверхности предложенного зеркала по сравнению со сферической значительно возрастает. Благодаря этому существенно снижается лучевая нагрузка на поверхности зеркал и уменьшаются размеры резонатора.

4. Из-за снижения лучевых нагрузок появляется возможность использования неохлаждаемых зеркал.

5. Расстояние между зеркалами в основном определяется зоной взаимодействия электронного пучка с излучением. Это приводит к значительному сокращению базы резонатора.

6. Повышенной интенсивностью светового поля в области ондулятора ЛСЭ, что благоприятно для эффективного взаимодействия электромагнитного поля с электронным пучком и для его пространственной группировки.

7. Полной круговой симметрией, что облегчает их изготовление, юстировку и контроль в процессе работы ЛСЭ.

Использование: изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при разработке и создании мощных лазеров, в том числе лазеров на свободных электронах. Сущность: оптический резонатор для лазеров на свободных электронах, содержащий два зеркала, при этом каждая поверхность зеркала образована вращением кривой (дуга окружности, эллипса, параболы или прямой вокруг оси, лежащей в плоскости этой кривой и не пересекающей ее, причем вершины поверхностей вращения зеркал лежат на одной оси вращения, совпадающей с осью резонатора, а нормали к каждой точке кривой или прямой пересекают ось вращения под углом. 1 ил.

Оптический резонатор для лазеров на свободных электронах, содержащий два зеркала, отличающийся тем, что каждая поверхность зеркала образована вращением кривой: дуги окружности, эллипса, параболы, или прямой вокруг оси, лежащей в плоскости этой кривой и не пересекающей ее, причем вершины поверхностей вращения зеркал лежат на одной оси вращения, совпадающей с осью резонатора, а нормали к каждой точке кривой или прямой пересекают ось вращения под углом.