УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК H01S3/07 

Усилитель относится к лазерной технике, в частности к твердотельным усилителям лазерного излучения.

Известен многоканальный усилитель лазерного излучения [1]. Усилитель содержит несколько усилителей, расположенных последовательно. Недостатком усилителя является ограниченность поперечного размера усилителя последнего каскада из-за невозможности обеспечить оптическую накачку усилителя на всю глубину поперечного сечения.

Известен многопроходный телескопический усилитель [2] . Недостатком усилителя является ограниченность поперечного размера усилителя из-за невозможности обеспечить оптическую накачку усилителя на всю глубину поперечного сечения, а также кольцевое сечение выходящего из усилителя пучка, т.е. неполное заполнение излучением сечения пучка. Это приводит, в дальней зоне, к дополнительному ослаблению осевой силы пучка [3] за счет дифракционных потерь, при дифракции излучения на внутренних границах пучка.

Известно положительное решение о выдаче патента на изобретение "Лазер" автора данной заявки [4]. Лазер содержит активную среду с формой сечения в виде исходящих из приосевой области секторов, геометрические вершины которых находятся на оптической оси лазера. Недостатком лазера является генерация нескольких когерентных между собой пучков, которые не заполняют полностью апертуру, ограничивающую размер сечения активной среды, что ослабляют осевую силу пучка в данной зоне из-за дифракции на границах каждого пучка.

Известен многоканальный усилитель, содержащий большое количество активных сред [5] - прототип. В усилителе несколько каналов активных сред обеспечивают облучение мишени с разных сторон. Недостатком усилителя являются отсутствие сплошной апертуры лазерного пучка, что ограничивает осевую силу пучка в дальней зоне - прототип.

Задачей изобретения является увеличение осевой силы пучка лазерного излучения, выходящего из усилителя, за счет увеличения площади выходящего из усилителя пучка когерентного излучения и за счет увеличения коэффициента заполнения излучением выходной апертуры усилителя.

Сущность изобретения заключается в том, что усилитель содержит несколько активных сред, активные среды которого образуют при этом две системы из симметричных в поперечном сечении активных сред, оси симметрии которых в каждой из систем расположены параллельно и в сечениях, перпендикулярных осям симметрий активных сред, при этом системы ориентированы под углом друг к другу, и оси симметрий, одинаково расположенные в системах активных сред, пересекаются друг с другом, и точки пересечений всех осей симметрий расположены в одной плоскости, усилитель содержит также систему сведения двух систем активных сред, при этом каждая активная среда в сечении, перпендикулярном оси симметрии, выполнена в виде приосевой области с исходящими из нее секторами, геометрические вершины которых расположены на оси симметрии, а внешние границы секторов ограничены замкнутым многоугольником, центр симметрии которого расположен на оси симметрии активной среды, при этом в каждой системе активных сред поверхности многоугольников, ограничивающих сечения активных сред, образуют сплошную поверхность сечения системы, причем исходящие из приосевых областей сектора активных сред одной системы, являются дополнительными к секторам другой системы, до сплошного заполнения активными средами каждого многоугольника в проекции, вдоль оси симметрий, на поверхности системы сведения, при этом поверхность системы сведения в областях проекций секторов одной системы выполнена отражающей, а в области проекций секторов другой системы выполнена пропускающей.

Две системы активных сред обеспечивают увеличение коэффициента заполнения излучением выходной апертуры усилителя. В каждой системе имеется система оптической накачки активных сред, и активная среда каждой системы заполняет только часть выходной апертуры усилителя, а две системы, взаимно дополняя друг друга, заполняют вдвое большую площадь выходной апертуры. При этом возможно наличие еще одной или нескольких систем активных сред, которые могут заполнять излучением оставшуюся часть выходной апертуры.

Активные среды усилителя выполнены симметричными в поперечном сечении, что позволяет унифицировать усилитель, т. е. выполнить его из одинаковых модулей. Хотя, в принципе, возможно несимметричное выполнение активных сред, но это затруднит сплошное заполнение выходной апертуры границами активных сред в каждой системе, со взаимным дополнением двух систем до сплошного заполнения системными выходной апертуры усилителя.

В каждой системе оси симметрий активных сред расположены параллельно. При фазировке выходящих после усилителя (т.е. при положении когерентных) пучков после всех активных сред параллельное расположение активных сред позволяет управлять в небольших пределах направлением и кривизной из усилителя пучка с помощью оптической системы при каждой активной среде или входящего в нее, для усиления, пучка.

В сечениях, перпендикулярных осям симметрий, системы выполнены с одинаковым расположением осей симметрий активных сред. Это позволяет взаимно дополнить выходные апертуры активных сред двух систем до сплошного заполнения выходной апертуры активными средами усилителя, за счет такого же дополнения выходных апертур в каждой паре активных сред, одинаково расположенных в обеих системах.

Системы активных сред ориентированы под углом друг к другу и оси симметрий всех одинаково расположенных активных сред пересекаются и точки пересечений всех осей симметрий расположены в одной плоскости. Такое расположение активных сред позволяет свести пучки двух систем в сплошной параллельный пучок в одной плоскости. Возможно сведение пучков двух систем в разных плоскостях, но при этом технически более сложно сфазировать все пучки, т. е. создать между ними заданную постоянную разность фаз, для последующего их когерентного сложения. При этом когерентное сложение обеспечивает максимальную осевую силу пучка всего усилителя.

Усилитель содержит систему сведения двух систем активных сред, например, в виде прозрачной пластины, одна из поверхностей которой расположена в плоскости точек соединений осей симметрий двух систем. Система сведения может быть выполнена также, например, в виде совокупности двух систем зеркал, на которые оси симметрий систем направлены с разных сторон и после отражения от которых они идут параллельно, но это техническим более сложная система сведения.

Каждая активная среда в сечении, перпендикулярном оси симметрии, выполнена в виде приосевой области с исходящими из нее секторами, геометрические вершины которых расположены на оси симметрии. Приосевая область активной среды связывает секторы между собой. Это позволяет выполнить активную среду из сплошного однородного материала с плоскими торцевыми поверхностями. При этом между секторами располагается система накачки активной среды, например лампы оптической накачки. Расположение геометрических вершин секторов на оси симметрии активной среды позволяет использовать активную среду не только в качестве однопроходного усилителя, но и качестве многопроходного усилителя, расположенного между зеркалами телескопического резонатора с оптической осью, расположенной на оси симметрии, и отверстием связи в одном из зеркал резонатора для ввода усиливаемого пучка.

Внешние границы секторов активной среды ограничены замкнутым многоугольником, центр симметрии которого расположен на оси симметрии активной среды. Это может быть треугольник, четырехугольник или шестиугольник, стороны которых могут плотно прилегать друг к другу, а его симметрия вытекает из симметрии сечения активной среды.

Поверхности многоугольников, ограничивающих сечения активных сред, образуют сплошную поверхность сечения системы активных сред. Т.е. многоугольниками могут быть такие фигуры, которые могут быть плотно, без промежутков, упакованы на некоторой поверхности, например равнобедренные треугольники, прямоугольники, равносторонние шестиугольники и т.п. При этом сплошная поверхность сечения системы активных сред означает плотное расположение активных сред в системе, что необходимо для увеличения коэффициента заполнения апертуры, т.е. осевой силы пучка.

Исходящие из приосевых областей секторы активных сред одной системы являются дополнительными к секторам другой системы, до сплошного заполнения активными средами каждого многоугольника в проекции вдоль оси симметрий, на поверхности прозрачной пластины системы сведения. Т.е. секторы одной системы расположены между секторами другой системы в проекции на поверхности прозрачной пластины. При этом в этой проекции активные среды обеих систем полностью заполняют поверхность каждого многоугольника, обеспечивая максимальный коэффициент заполнения апертуры.

Поверхность системы сведения в областях проекций секторов одной системы выполнена отражающей, а в областях проекций секторов другой системы - пропускающей. Это обеспечивает сведение усиленных пучков двух систем в одном направлении, при этом от одной системы пучок отражается от поверхности прозрачной пластины системы сведения, а от ругой системы пучок проходит через пластину.

Сложение усиленных пучков двух систем обеспечивает увеличение коэффициента заполнения излучением выходной апертуры усилителя. Это обеспечивает увеличение осевой силы излучения усилителя. При этом оптической системой возможно фазирование (постоянная разность фаз) всех пучков усилителя для когерентного сложения всех пучков. При использовании в каждой системе усилителя нескольких активных сред осевая сила излучения усилителя возрастает из-за увеличения выходной апертуры, т.е. площади усилителя.

На фиг. 1 изображена схема продольного сечения усилителя с тремя система активных сред.

На фиг. 2 изображена схема продольного сечения одной из активных сред, вместе с оптической системой.

На фиг. 3 изображены поперечные сечения систем активных сред, а также поперечное сечение выходящего из усилителя пучка.

Усилитель (на фиг.1) содержит несколько активных сред сгруппированных в две системы с активными средами 1,2 и одну систему с активными средами 3. Активные среды систем в поперечном сечении, показанном на фиг. 3, выполнены симметричными. Во всех системах оси симметрии 4 активных сред расположены параллельно и в сечениях, перпендикулярных осям симметрий, изображенных на фиг. 3, расположены на равных и одинаковых расстояниях между собой в вершинах равносторонних треугольников. Системы 2 и 1,3 ориентированы перпендикулярно друг другу так, что оси симметрий одинаково расположенных в системах активных сред пересекаются друг с другом и точки пересечений осей симметрий лежат в одной плоскости. Усилитель содержит систему сведения систем 1, 2, выполненную в виде прозрачной пластины 5, одна из поверхностей которой расположена в плоскости точек пересечений осей симметрий систем, а также систему сведения системы 3 и систем 1, 2 в виде прозрачной пластины 6. Усилитель содержит также задающий генератор, с активной средой 7 и телескопическим резонатором из вогнутого 8 и выпуклого 9 зеркал. При этом выпуклое зеркало 9 имеет форму шестиугольника так, что из заданного генератора выходит кольцевой пучок шестигранной формы. Телескоп 10 предназначен для уменьшения размеров пучка. Полупрозрачные зеркала 11, 12 позволяют разделить пучок задающего генератора на столько частей, сколько активных сред содержат системы усилителя. При этом отражающая поверхность зеркал 12 состоит из трех 60-градусных секторов, вершины которых находятся на точке пересечения поверхности зеркал с оптической осью задающего генератора. Между отражающими секторами поверхности зеркал 12 выполнены прозрачными. Зеркала 13 предназначены для поворота и направления пучков по осям усилителей. Разделение пучка задающего генератора в плоскости, перпендикулярной рисунку, производится аналогичным образом. Разность оптических длин пути различных пучков от задающего генератора до выхода из усилителя после пластины 6 находится в пределах длины когерентности пучка. Телескопы 14 предназначены для дополнительного сжатия пучков. Как изображено на фиг. 2, оптическая система каждой активной среды всех систем содержит вогнутое зеркало 15 с отверстием связи с задающим генератором и выпуклое зеркало 16 с формой шестиугольника, которые распложены софокусно и образуют телескопический усилитель, оптическая ось которого совпадает с осью симметрии активной среды. Вогнутые зеркала 15 всех систем выполнены с возможность микроперемещений и обеспечивают на выходе усилителя фазировку (постоянство заданной разности фаз) всех пучков, а также заданное направление и кривизну каждого пучка. Т. е. обеспечивают когерентность выходящего из усилителя пучка заданного направления и кривизны (с заданной точкой фокусировки). Микроперемещения могут осуществляться пьезоэлементами, магнитострикционными элементами или другими микроприводами по алгоритмам управления адаптивными зеркалами. Активная среда системы 1, в сечении Е-Е фиг. 2, перпендикулярном оси симметрии, выполнена симметричной в виде приосевой области 17 с исходящими из нее тремя 60-градусными секторами 18, геометрические вершины которых расположены на оси симметрии активной среды, отмеченной крестиком. Внешние границы секторов 18 ограничены замкнутым шестиугольником 19, форму которого также имеет корпус, в котором расположена активная среда. Центр симметрии шестиугольника расположен на оси симметрии активной среды. Между секторами активной среды расположены лампы оптической накачки 20, по 3 штуки в каждом секторе, которые с одной стороны соединены с корпусом, а с другой стороны с электрокабелями, которые проходят через отверстия или вырез в вогнутом зеркале.

Активные среды системы 3 выполнены в виде шестигранника, т.е. в сечении, перпендикулярном оси симметрии, выполнены в виде сплошного равностороннего шестиугольника и имеют, как все активные среды усилителя, плоские торцевые поверхности (вид С-С фиг. 3).

В каждой системе активных сред 1,2 поверхности шестиугольников, ограничивающих сечения активных сред, как показано на фиг. 3, вид А-А и вид В-В, образуют сплошную поверхность сечения системы. Активные среды системы 1 повернуты вокруг оси симметрии относительно активных сред системы 2 на 60 градусов так, что исходящие из приосевых областей секторы активных сред одной системы являются дополнительными к секторам системы, до сплошного заполнения активными средами каждого шестиугольника в проекции, вдоль оси симметрии, на поверхности прозрачной пластины 5. В системе актавных сред 3, на виде С-С, сечения активных сред выполнены в виде шестиугольников, размер которых равен размеру выпуклых зеркал 16 в системах 1,2. Вокруг активных сред расположены лампы оптической накачки 20 в пределах таких же шестиугольных корпусов, что и в системах с 1,2. При этом оси симметрий активных сред во всех трех системах расположены одинаково.

Поверхность прозрачной пластины 5 системы сведения, расположенная в плоскости точек пересечения осей систем 1,2, в областях проекций секторов систем 1 выполнена отражающей, а в областях проекций секторов системы 2 выполнена пропускающей. Поверхность прозрачной пластины 6 расположена в плоскости точек пересечения оптических осей систем 3 и 1, 2, в областях проекций вдоль осей симметрий активных сред системы 3 выполнена отражающей, а в остальных областях проекций активных сред систем 1, 2 выполнена пропускающей. Системы сведения в виде пластин 5, 6 обеспечивают получение почти сплошного выходящего из усилителя пучка, сечение которого показано на виде Д-Д фиг. 3.

Работает усилитель следующим образом. Кольцевой шестиугольный пучок задающего генератора 7,8,9 сжимают телескопом 10 до размеров отверстия связи в зеркалах 15 и разделяют зеркалами 11, 12 на столько пучков, сколько активных сред содержит усилитель. При этом отражающие и прозрачные секторы зеркал 12 ориентированы соответственно секторам активных сред систем 1 и 2. Зеркала 13 направляют каждый пучок по оси симметрии каждой активной среды. Телескопы 14 сжимают размеры пучков до размера отверстия связи в вогнутых зеркалах 15 оптической системы активных сред 3. В телескопических усилителях 16, 15 содержащие активные среды систем 1, 2, 3 пучки совершают несколько (одинаковое количество) проходов по активной среде. При этом они расширяются, усиливаются (увеличивают свою интенсивность), удаляются с каждым проходом от оптической оси телескопических усилителей и выходят из них мимо выпуклых зеркал 16 в виде трех (внешних) частей секторов активных сред систем 1, 2 и шестигранных кольцевых пучков активных сред системы 3. Пластина 5 сводит части секторов активных сред систем 1, 2 в рядом расположенные параллельные пучки, которые при этом образуют кольцевые пучки и заполняют кольцевые площади внутри каждого шестиугольника, ограничивающего внешние границы сечений каждой активной среды. Пластина 6 сводит пучки системы 3 и пучки систем 1, 2 после пластины 5 в пучок, показанный на виде Д-Д, у которого все пучки параллельны и представляют собой компактную систему из вложенных друг в друга шестигранных кольцевых пучков.

Пучок на выходе усилителя в сечении почти целиком заполнен излучением, имеет большие габариты и когерентен по всему сечению. Это обеспечивает высокую осевую силу пучка. Микропроводы вогнутых зеркал, обеспечивающие когерентность пучка, позволяют также в небольшом диапазоне управлять направлением и кривизной пучка, т.е. обеспечивают наведение и фокусировку пучка в нужном месте. Отсутствие телескопа упрощает оптическую систему усилителя и не ограничивает площадь сечения пучка.

Литература
1. Ю.А.Ананьев "Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения", М., 1979, с. 150.

2. Ю. А. Ананьев "Оптические резонаторы и лазерные пучки", М., 1990, с. 235.

3. Ю.А.Ананьев "Оптические резонаторы и лазерные пучки", М., 1990, с. 6.

4. Положительное решение по заявке N 93-028142/25(028035) от 29.08.1995 г., под названием "Лазер", автор и заявитель Мальцев В.В.

5. А.М.Василевский и др. "Оптическая электроника." Л., 1990, с. 73.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к твердотельным усилителям лазерного излучения. Усилитель содержит две или несколько систем симметричных активных сред 1, 2, 3, систему сведения 5, 6, а также задающий генератор 7, 8, 9 и вспомогательные полупрозрачные 11, 12 и отражающие 13 зеркала. В каждой системе оси симметрий активных сред расположены одинаково и параллельно между собой, а системы наклонены друг к другу. По крайней мере в двух системах 1, 2 каждая активная среда в сечении выполнена в виде приосевой области с исходящими из нее секторами, геометрические вершины которых расположены на оси симметрии, а внешние границы секторов ограничены замкнутым многоугольником, центр симметрии которого также расположен на оси симметрии активной среды. Излучение задающего генератора с помощью вспомогательных полупрозрачных зеркал разделяют и с помощью отражающих зеркал направляют вдоль оптических осей всех активных сред. Оптические системы 15, 18 активных сред фазируют все пучки, а системы сведений сводят все пучки в один когерентный пучок сплошного сечения с заданным направлением фокусировки. Технический результат заключается в увеличении осевой силы пучка и яркости, без использования телескопа. 3 ил.

Усилитель, содержащий несколько активных сред, отличающийся тем, что активные среды образуют две системы из симметричных в поперечном сечении активных сред, оси симметрий которых в каждой из систем расположены параллельно и в сечениях, перпендикулярных осям симметрий, системы выполнены с одинаковым расположением осей симметрий активных сред, при этом системы ориентированы под углом друг к другу и оси симметрий одинаково расположенных в системах активных сред пересекаются друг с другом и точки пересечений всех осей симметрий расположены в одной плоскости, усилитель содержит также систему сведения двух систем активных сред, при этом каждая активная среда в сечении, перпендикулярном оси симметрии, выполнена в виде приосевой области с исходящими из нее секторами, геометрические вершины которых расположены на оси симметрии, а внешние границы секторов ограничены замкнутым многоугольником, центр симметрии которого расположен на оси симметрии активной среды, при этом в каждой системе активных сред поверхности многоугольников, ограничивающих сечения активных сред, образуют сплошную поверхность сечения системы, причем исходящие из приосевых областей сектора активных сред одной системы являются дополнительными к секторам другой системы до сплошного заполнения активными средами каждого многоугольника в проекции, вдоль оси симметрий, на поверхности системы сведения, при этом поверхность системы сведения в областях проекций секторов одной системы выполнена отражающей, а в областях проекций секторов другой системы выполнена пропускающей.