РЕЗОНАТОР Российский патент 1998 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к резонаторам CO₂ лазеров.

Известен самофильтрующийся неустойчивый резонатор импульсного лазера [1] Резонатор содержит софокусно расположенные вогнутые зеркала, в фокусе которых расположено выводное зеркало с отверстием, центр зеркала расположен на оптической оси, а также вспомогательные зеркала, образующие кольцевую схему резонатора. Резонатор позволяет генерировать излучение с хорошей расходимостью, но обладает небольшой энергией импульса из-за оптического (лазерного) пробоя в отверстии выводного зеркала и является чувствительным к разъюстировкам зеркал.

Известен четырехпроходный устойчивый резонатор лазера "Кардамон" [2] Резонатор содержит область активной среды, выполненную в виде четырех областей круглого сечения, вогнутое глухое, полупрозрачное выводное зеркало, а также пару двугранных уголковых отражателей, обеспечивающих последовательный охват излучением всех областей активной среды. При этом вогнутое зеркало находится напротив одной из граней одного уголкового отражателя и сборку одной из граней другого уголкового отражателя, который в свою очередь находится напротив второй грани первого уголкового отражателя, причем ребра уголковых отражателей ориентированы взаимно перпендикулярно. Резонатор обладает малой чувствительностью к разъюстировкам зеркал за счет использования двух двугранных уголковых отражателей с перпендикулярно ориентированными ребрами, но обладает большой расходимостью из-за чувствительности устойчивого резонатора к неоднородностям активной среды.

Известен неустойчивый резонатор с пространственной фильтрацией излучения [3] Принят за прототип. Резонатор содержит прямоугольную область активной среды, два софокусно расположенных вогнутых зеркала, в их фокусе выводное зеркало с отверстием, центр которого расположен на оптической оси, а также вспомогательные зеркала, образующие многопроходную схему резонатора. Резонатор позволяет генерировать излучение с дифракционной расходимостью, но является чувствительным к разъюстировкам зеркал. При этом он использует активную среду, ширина которой в сечении много больше высоты. Недостатком резонатора является также то, что мощность лазерного излучения ограничена оптическим (лазерным) пробоем в отверстии выводного зеркала.

Сущность технического решения заключается в том, то в резонаторе, содержащем область активной среды, два софокусно расположенных вогнутых зеркала, в их фокусе выводное зеркало с отверстием, центр которого расположен на оптической оси, а также вспомогательные зеркала, образующие многопроходную схему резонатора, поверхность отверстия в выводном зеркале выполнена зеркальной, вспомогательные зеркала образуют двугранные уголковые отражатели, расположенные парами относительно вогнутых зеркал так, что каждое вогнутое зеркало находится напротив одной из граней одного уголкового отражателя и сбоку одной из граней другого уголкового отражателя, который в свою очередь находится напротив второй грани первого уголкового отражателя, при этом ребра уголковых отражателей в каждой паре ориентированы взаимно перпендикулярно.

Выполнение поверхности отверстия в выводном зеркале зеркальной позволяет повысить порог плазмообразования в отверстии выводного зеркала при попадании на его поверхность излучения из-за дифракции, геометрической расходимости излучения и неточности юстировки зеркал, поскольку зеркальная поверхность обладает высоким порогом плазмообразования по сравнению с шероховатыми поверхностями.

Использование двугранных уголковых отражателей с перпендикулярно ориентированными ребрами позволяет уменьшить чувствительность резонатора к разъюстировки зеркал и габариты резонатора.

Сущность изобретения заключается также в том, что вогнутые зеркала ориентированы в противоположные стороны и расположены рядом с выводным зеркалом, т.е. на одном основании.

При ориентации вогнутых зеркал в противоположные стороны выводное зеркало оказывается расположенным напротив тех же граней уголковых отражателей, что и вогнутые зеркала, поскольку оптическая ось перпендикулярна поверхности вогнутых зеркал и проходит через их центры кривизны, а уголковые отражатели производят лишь параллельные смещения оптической оси. При этом рядом с отверстием в выводном зеркале нет необходимости располагать отражающие поверхности, которые обладают меньшей лучевой прочностью, чем газовая среда. Поскольку в центре отверстия за счет фокусировки плотность излучения максимальна, то отсутствие вблизи отверстия отражающих поверхностей повышает порог плазмообрабатывания в резонаторе, т.е. мощность излучения.

Расположение вогнутых зеркал рядом и рядом с выводным зеркалом, т.е. на одном основании, обеспечивает "жесткую" механическую связь между ними и "жесткую" оптическую связь между частями резонатора, т.е. высокую стабильность положения оптической оси или высокую стабильность направленности выходящего из резонатора излучения.

Сущность изобретения заключается также в том, что вогнутые зеркала выполнены с различными радиусами кривизны, а область активной среды выполнена прямоугольной, при этом отверстие в выводном зеркале выполнено квадратным, а его зеркальная поверхность выполнена в виде части поверхности четырехгранной призмы, вершина которой обращена по оптической оси в направлении вогнутого зеркала с меньшим радиусом кривизны.

Выполнение отверстия квадратным позволяет наиболее полно заполнить порямоугольную активную среду излучением, т.е. увеличить мощность излучения, поскольку форма отверстия определяет форму области резонатора, заполненной излучением, а квадратные аппретуры можно расположить в сплошной среде максимально плотно.

Выполнение поверхности отверстия в виде части четырехгранной призмы позволяет избежать фокусировки излучения в точку или линию при отражении от плоских граней призмы. Призматичность поверхности обеспечивает отражение излучения, проходящего отверстие, только одну сторону, так как с другой стороны проходящее отверстие излучение не попадает на ее поверхность. Ориентация вершины призмы в направлении вогнутого зеркала с меньшим радиусом кривизны обеспечивает отражение излучения от поверхности отверстия в сторону этого зеркала, т.е. в сторону, где излучение не заполняет полностью объем резонатора и где активную среду не располагают. Поскольку в активной среде порог оптического пробоя меньше, чем вне активной среды, то такая ориентация призмы позволяет повысить порог плазмообразования резонатора и избежать возникновения паразитных волн в активной среде.

Сущность изобретения заключается также в том, что область активной среды выполнена в виде нескольких областей круглого сечения, при этом отверстие в выводном зеркале выполнено круглым, а его зеркальная поверхность выполнена в виде тороидальной поверхности, ось которой совпадает с оптической осью, причем в любом сечении отверстия, перпендикулярном оптической оси, радиус кривизны тороидальной поверхности в плоскости, содержащей оптическую ось, не превышает радиуса отверстия в этом сечении.

Выполнение отверстия круглым позволяет наиболее полно заполнить активную среду круглого сечения излучением, т.е. увеличить мощность излучения, поскольку форма отверстия определяет форму области резонатора, заполненной излучением. Кривизна тороидальной поверхности в плоскости, содержащей оптическую ось, расфокусирует отражаемое излучение, а кривизна поверхности в плоскости, перепендикулярной оптической оси (в плоскости сечения отверстия), фокусирует отражаемое излучение. Так как расфокусирующая кривизна не меньше фокусирующей для любой точки поверхности, то при отражении излучения от зеркальной поверхности отверстия, фокусирующие свойства поверхности компенсируются расфокусирующими и концентрации плотности излучения после отражения не происходит, т.е. порог плазмообразования резонатора повышается. Торическая поверхность, у которой кривизна в плоскости оси постоянна и определяется радиусом образующей окружности, является частным случаем тороидальной поверхности с образующей, отличной от круга.

На фиг. 1 изображен вариант резонатора с прямоугольной областью активной среды; на фиг. 2 вариант резонатора с областью активной среды в виде нескольких областей круглого сечения; на фиг. 3 вид со стороны вогнутого зеркала с большим радиусом кривизны вдоль оптической оси выводного зеркала с квадратным отверстием; на фиг. 4 сечение в плоскости оптической оси выводного зеркала с круглым отверстием.

Резонатор содержит два софокусно расположенных вогнутых зеркала 1 и 2, в фокусе которых расположено выводное зеркало 3 и 4 с отверстием, центр которого находится на оптической оси, проходящей через центры кривизны вогнутых зеркал 1 и 2. Поверхности отверстий в выводных зеркалах 3 и 4 выполнены зеркальными, 5, 6 соответственно также. Вспомогательные зеркала образуют двугранные уголковые отражатели 7 10, расположенные парами 7 и 8 и 9 и 10 относительно вогнутых зеркал 1 и 2 соответственно. При этом каждое вогнутое зеркало 1 (2) находится напротив одной из граней одного уголкового отражателя 8 (10) и сбоку одной из граней (нижней) другого уголкового отражателя 7 (9), который 7 (9) в свою очередь находится напротив второй грани первого уголкового отражателя 8 (10). Ребра уголковых отражателей в каждой паре 7 и 8 и 9 и 10 ориентированы взаимно перпендикулярно.

Вогнутые зеркала 1 и 2 ориентированы в противоположные стороны и расположены рядом с выводным зеркалом 3 или 4, т.е. на одном основании. При этом выводное зеркало 3 и 4 расположено одновременно напротив тех же граней уголковых отражателей 8 и 10, что и вогнутые зеркала 1 и 2. Т.е. выводное зеркало 3 и 4 расположено выше вогнутых зеркал 1 и 2.

Вогнутое зеркало 1 выполнено с большим радиусом кривизны, чем вогнутое зеркало 2.

Область активной среды 11 выполнена прямоугольной, при этом отверстие в выводном зеркале 3 выполнено квадратным, а его зеркальная поверхность 5 выполнена в виде части поверхности четырехгранной призмы, вершина которой обращена по оптической оси в направлении вогнутого зеркала 2 с меньшим радиусом кривизны.

Область активной среды 12 и 13 выполнена в виде нескольких газоразрядных трубок круглого сечения, центр которых находится на оптической оси, причем газоразрядные трубки 13 имеют меньший диаметр, чем газоразрядные трубки 12, поскольку проходящий отверстие выводного зеркала 4 пучок имеет меньший диаметр, чем падающий на это зеркало 4 пучок со стороны вогнутого зеркала 1. Отверстие в выводном зеркале 4 выполнено круглым, а его зеркальная поверхность 6 выполнена в виде тороидальной поверхности, причем в любом сечении отверстия, перпендикулярном оптической оси, радиус кривизны тороидальной поверхности в плоскости, содержащей оптическую ось, не превышает радиуса отверстия в этом сечении. Все зеркала выполнены металлическими.

Углы между гранями всех уголковых отражателей равны 90^o. Ребра уголковых отражателей 8 и 10, расположенных напротив вогнутых зеркал, ориентированы параллельно друг другу, а выводное зеркало 3 и 4 наклонено в плоскости либо параллельной, любо перпендикулярной ребрам уголковых отражателей. Это позволяет сохранять линейную поляризацию излучения в плоскости либо параллельной, либо перпендикулярной ребрам уголковых отражателей. Уголковые отражатели 9 и 10 выполнены с возможностью поворота вокруг оси, проходящей через их ребра. Когда один из этих уголковых отражателей повернут так, что одна из его граней образует с оптической осью угол более 60^o, а у других уголковых отражателей грани образуют с оптической осью углы 45^o, то в резонаторе формируется линейно поляризованное излучение в плоскости ребра повернутого уголкового отражателя. Если повернут и второй уголковый отражатель вплоть до угла поворота первого уголкового отражателя, то возрастают потери на поглощение в зеркалах этих уголковых отражателей излучения любой поляризации, что позволяет сузить спектр генерации до одной наиболее сильной линии колебательно-вращательного перехода молекулы CO₂. Вращение уголковых отражателей 9 и 10 позволяет изменять направление поляризации излучения и сужать спектр генерации лазерного излучения. В данном примере уголковый отражатель 10 повернут вокруг ребра так, что одна из его граней образует с оптической осью угол 70^o.

Работает резонатор следующим образом.

Излучение зарождается в активной среде 11 13 между зеркалами 1 и 2 и распространяется, например, следующим образом. Параллельный пучок излучения проходит отверстие выводного зеркала 3 и 4 и распространяется в сторону уголкового отражателя 10. При этом часть пучка отражается от зеркальной призматической поверхности 5 или передней части торической поверхности 6 и рассеивается, не образуя точек или линий фокусировки. Отражаясь от граней уголкового отражателя 10, пучок смещается параллельно себе и направляется на уголковый отражатель 9. Отражаясь от граней уголкового отражателя 9, пучок смещается параллельно себе и опять направляется на уголковый отражатель 10. Отражаясь от граней уголкового отражателя 10, пучок смещается параллельно себе и направляется на вогнутое зеркало 2. Вогнутое зеркало 2 фокусирует пучок в отверстие выводного зеркала 3 и 4 с отражением пучка от тех же зеркал в обратном порядке. Отверстие выводного зеркала осуществляет пространственную фильтрацию излучения, так как оно пропускает только центральный максимум фокального распределения. При этом задняя часть зеркала 3 или торическая поверхность зеркала 4 рассеивают отфильтрованное излучение, не образуя точек или линий фокусировки этого излучения. Пройдя отверстие выводного зеркала, пучок начинает расширяться в сторону уголкового отражателя 8. Отражаясь от граней уголкового отражателя 8, пучок смещается параллельно себе и направляется на уголковфй отражатель 7. Отражаясь от граней уголкового отражателя 7, пучок смещается параллельно себе и опять направляется на уголковый отражатель 8. Отражаясь от граней уголкового отражателя 8, пучок смещается параллельно себе и направляется на вогнутое зеркало 1. Вогнутое зеркало 1 коллимирует расходящийся из отверстия выводного зеркала 3 и 4 пучок и направляет уже параллельный пучок в направлении выводного зеркала 3 и 4 с отражением от тех же зеркал в обратном порядке. Попадая на выводное зеркало 3 и 4, часть параллельного пучка проходит отверстие и распространяется, как описано выше, а другая часть отражается от выводного зеркала и выходит из резонатора.

Предлагаемое техническое решение позволяет получить мощное, одномодовое, стабильно направленное излучение с дифракционной расходимостью и низкой чувствительностью к разъюстировкам зеркал. При этом возможно получение круговой и линейной поляризации излучения, а также генерации на одной линии колебательно-вращательного перехода. Его использование предпочтительно в CO₂ лазерах с небольшими объемами активных сред и большими коэффициентами усиления, например, с активной средой в трубках, накачиваемой импульсным газовым разрядом.

Использование: в лазерной технике, в частности в резонаторах CO₂ лазеров. Сущность изобретения: резонатор содержит два софокусно расположенных вогнутых зеркала 1 и 2, в фокусе которых расположено выводное зеркало 3 и 4 с отверстием с зеркальной поверхностью, размер которого равен размеру центрального максимума фокального распределения, получаемого при фокусировке ближайшим к выводному зеркалу 3 и 4 вогнутым зеркалом 2, параллельного пучка, прошедшего это отверстие, а также двугранные уголковые отражатели 7 - 10, установленные так, что каждое вогнутое зеркало 1 или 2 находится напротив одной из граней одного уголкового отражателя 8 или 10 соответственно и сбоку одной из граней другого уголкового отражателя 7 или 9, ребро которого ориентировано перпендикулярно ребру первого уголкового отражателя 8 или 10, при этом вогнутые зеркала 1 и 2 и выводное зеркало 3 и 4 установлены на одном основании. Для прямоугольной области активной среды 11 отверстие в выводном зеркале 3 выполнено квадратным, а его зеркальная поверхность выполнена в виде части поверхности четырехгранной призмы 5. Для круглой области активной среды 12 и 13 отверстие в выводном зеркале 4 выполнено круглым, а его зеркальная поверхность выполнена в виде торической поверхности 6. Лазерное излучение зарождается в активной среде 11 - 13 между вогнутыми зеркалами 1 и 2, при этом оно отражается от обеих граней каждого уголкового отражателя и проходит отверстие выводного зеркала 3 и 4, где происходит пространственная фильтрация излучения. Падающий на выводное зеркало 3 и 4 пучок выводится из резонатора. Использование резонатора предпочтительно в CO₂ - лазерах с небольшими объемами активных сред и большими коэффициентами усиления, например, с активной средой в трубках, накачиваемой импульсным газовым разрядом. Изобретение обеспечивает низкую чувствительность к разъюстировке зеркал, генерирует мощное одномодовое, стабильно направленное лазерное излучение с дифракционной расходимостью и линейной или круговой поляризацией. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Резонатор, содержащий область активной среды, два софокусно расположенных вогнутых зеркала, в фокусе которых расположено выводное зеркало с отверстием, центр которого расположен на оптической оси, а также вспомогательные зеркала, образующие многопроходную схему резонатора, отличающийся тем, что поверхность отверстия в выводном зеркале выполнена зеркальной, вспомогательные зеркала образуют двугранные уголковые отражатели, расположенные парами относительно вогнутых зеркал так, что каждое вогнутое зеркало находится напротив одной из граней одного уголкового отражателя и сбоку одной из граней другого уголкового отражателя, который в свою очередь находится напротив второй грани первого уголкового отражателя, при этом ребра уголковых отражателей в каждой паре ориентированы взаимно перпендикулярно. 2. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что вогнутые зеркала выполнены с различными радиусами кривизны, а область активной среды выполнена прямоугольной, при этом отверстие в выводном зеркале выполнено квадратным, а его зеркальная поверхность выполнена в виде части поверхности четырехгранной призмы, вершина которой обращена по оптической оси в направлении вогнутого зеркала с меньшим радиусом кривизны. 3. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что область активной среды выполнена в виде нескольких областей круглого сечения, при этом отверстие в выводном зеркале выполнено круглым, а его зеркальная поверхность выполнена в виде тороидальной поверхности, причем в любом сечении отверстия, перпендикулярном оптической оси, радиус кривизны тороидальной поверхности в плоскости, содержащей оптическую ось, не превышает радиуса отверстия в этом сечении.