МОЩНЫЙ ЛАЗЕР С УСТОЙЧИВО-НЕУСТОЙЧИВЫМ РЕЗОНАТОРОМ Российский патент 2000 года по МПК H01S3/08 

Предлагаемое изобретение относится к области лазерной техники, а более конкретно к области мощных лазеров с высоким качеством излучения.

Изобретение может быть использовано при разработке мощных проточных газовых лазеров, щелевых газовых лазеров, твердотельных слэб-лазеров.

Известно устройство [1] мощный лазер с устойчиво-неустойчивым резонатором, включающий лазерную активную среду, устойчиво-неустойчивый резонатор, имеющий плоскость устойчивости и перпендикулярную ей плоскость неустойчивости, причем ось резонатора проходит через активную среду, вытянутую в направлении оси резонатора и которая заполняет каустику резонатора как в плоскости устойчивости, так и в плоскости неустойчивости резонатора. Одно или более зеркал такого резонатора являются асферическими (цилиндрическими или тороидальными), создающими эффект астигматизма.

При определенном соотношении между радиусами кривизны зеркал и расстоянием между ними в каждой из вышеупомянутых плоскостей возможно выполнение или невыполнение условия устойчивости.

В плоскости устойчивости реализуются поперечные моды Гаусса-Эрмита, из которых при помощи диафрагмы легко можно выделить старшую Гауссову моду нулевого порядка. В плоскости неустойчивости, за каждый проход резонатора, излучение увеличивает свой поперечный размер в М раз, где М - коэффициент увеличения резонатора.

Вывод излучения в таком резонаторе возможен в плоскости неустойчивости как снаружи меньшего по размеру зеркала резонатора, так и с помощью специального выводного зеркала, расположенного перед одним из концевых зеркал. Выводное зеркало отбрасывает внешнюю по отношению к оси часть излучения, падающего на вышеупомянутое концевое зеркало в сторону от оси резонатора. Обычно выводное зеркало представляет собой плоское или сферическое зеркало, с прямоугольным отверстием, стороны которого совпадают с устойчивой и соответственно неустойчивой плоскостями.

Вообще говоря, выходное излучение имеет в поперечном сечении два пятна разделенных между собой промежутком, равным размеру малого концевого зеркала или размеру отверстия в выводном зеркале в плоскости неустойчивости.

Края отверстия в выводном зеркале в плоскости устойчивости являются диафрагмой. Если размер этого отверстия в плоскости устойчивости достаточно мал, порядка 1,5 диаметра основной моды измеренного по уровню 1/e², то такая диафрагма селектирует гауссову моду нулевого порядка.

Разъюстировка резонатора в плоскости неустойчивости приводит к тому, что мощность одного из выходных пучков растет, при этом мощность другого выходного пучка падает. Даже при достаточно большой разъюстировке, когда ось резонатора проходит вблизи края выходного зеркала (отверстия в выводном зеркале) в плоскости неустойчивости мощность второго выходного пучка остается достаточно большой (порядка 10%), при этом заметно ухудшается качество выходного пучка за счет дифракционного отражения излучения от края зеркала во встречную сходящуюся волну неустойчивого резонатора.

Несмотря на то, что качество излучения в плоскости устойчивости может быть очень высоким (одномодовый режим), качество излучения в плоскости неустойчивости высокое только при больших значениях коэффициента увеличения М. При М порядка 1, то есть при большом промежутке между выходными пучками по отношению к поперечному размеру (в плоскости неустойчивости) качество излучения выходного пучка существенно ниже.

Действительно, расходимость выходного излучения ϑ в плоскости неустойчивости будет определяться поперечным размером l в плоскости неустойчивости ϑ = λ/l = λ/b(M-1), где λ - длина волны лазерного излучения, 2b - размер выходного зеркала (отверстия в выводном зеркале) в плоскости неустойчивости. Дифракционная расходимость сплошного пучка размером d ϑ_диф = λ/d = λ/Mb. Коэффициент качества излучения при этом K = ϑ_диф/ϑ = (M-1)/M. Видно, что при M ---> 1, качество выходного излучения K ---> 0.

Отметим, что потери устойчиво-неустойчивого резонатора за полный обход светом резонатора t = 1 - 1/M ---> 0 при M ---> 1.

Во многих мощных лазерах имеется активная среда, протяженная (кроме оси) еще в одном направлении и относительно ограниченная в перпендикулярном ему направлении [2] . Кроме того, часто в таких лазерах активная среда имеет малый коэффициент усиления, например, в газовых лазерах с высоким давлением смеси активных газов, поэтому приходится, с целью достижения высокого КПД, использовать резонатор с малыми выходными потерями, т. е. резонатор с малым значением коэффициента увеличения М. При этом снижается качество выходного излучения. Таким образом, в данном случае имеется техническое противоречие между необходимостью увеличения КПД лазера с низким коэффициентом усиления активной среды и качеством выходного излучения этого лазера. При М = 2 выходные потери устойчиво-неустойчивого резонатора составляют 50%, а качество излучения снижается приблизительно в 2 раза.

Задачей изобретения является повышение качества излучения и увеличение К.П.Д. и выходной мощности лазера. Эта задача становится наиболее актуальной при малых коэффициентах увеличения 1 < М < 2.

Задача решается тем, что согласно изобретению, в мощном лазере с устойчиво-неустойчивым резонатором с помощью выводного зеркала специальной конструкции оба выходных пучка параллельно приближаются друг к другу вплоть до их слияния в один компактный пучок. При этом, поскольку поперечный размер выходного излучения уменьшается, при сохранении расходимости, увеличивается качество излучения.

В том случае, когда активной средой лазера является разреженный газ, например, мощный CO₂ лазер, для отделения активной среды от атмосферы применяется выходное прозрачное окно, например, KCL или ZnSe. Проблемой является тот факт, что при больших мощностях лазерного излучения поглощенная в окне доля мощности приводит к термоискажениям проходящего через окно излучения и даже к разрушению самого окна. Этот эффект ограничивает применение твердотельного окна из прозрачного материала на уровне мощности лазера, около 5 кВт. Известно, что эта предельная пропускаемая окном мощность почти не зависит от размера пучка и определяется качеством материала окна (его коэффициентом поглощения и механическими свойствами).

Поэтому для того чтобы решить проблему вывода лазерного излучения, согласно п. 2 формулы изобретения, мы предлагаем сначала вывести из лазера два сильно отстоящих пучка раздельно (либо через два окна, либо через одно большое окно, но с кондуктивным охватывающим каждый пучок независимо охлаждением через обе торцевые поверхности.

Конструкция предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3.

На фиг. 1 изображен вариант, в котором устойчиво-неустойчивый резонатор образован концевым вогнутым сферическим зеркалом 2, выпуклым цилиндрическим зеркалом 1, выводное зеркало состоит из вложенных друг в друга внутренней (образованной двумя зеркалами 3) и внешней 4 параллельных зеркальных призм, которые параллельно сдвигают оба выходных пучка, вплоть до их касания на оси 5. При этом в плоскости неустойчивости получается один компактный пучок 6, имеющий колоколообразный профиль интенсивности 6.1. В плоскости устойчивости распределение интенсивности 6.2 является гауссовым.

На фиг. 2 изображен вариант, когда выводное зеркало состоит из двух параллельных зеркал 4 и 5, плоскости которых смещены друг относительно друга на некоторое расстояние h, таким образом, что при отражении от такого зеркала один из пучков параллельно приближается к другому пучку на расстояние x = 2hsin ϑ , где ϑ - угол падения лазерного пучка на выводное зеркало. Очевидно, что если будет выполнено равенство x = 2hsin ϑ = b, где b - расстояние между выходными пучками, равное поперечному размеру малого (выходного) зеркала или размеру отверстия в выводном зеркале в плоскости неустойчивости, то оба выходных пучка сомкнутся в один пучок 6.1.

Возможен вариант изобретения, когда, согласно п. 2, выводное сжимающее зеркало расположено после выходного окна по лучу.

На фиг. 3 изображено выводное зеркало со ступенчатой формой поверхности. Такое зеркало можно изготовить с помощью станка с алмазным точением (фрезерованием) за одну установку.

Такое зеркало может быть и составным, состоящим из двух зеркал, причем одно из них (меньшее) 4 имеет параллельную заднюю и переднюю поверхности и лежит на оптическом контакте на первом (большем) зеркале 3. Сближение выходных пучков может осуществляться также с помощью окна, состоящего из двух клиновидных выходных окон, с независимым кондуктивным охлаждением. При этом на выходе из лазера имеются два сближающихся пучка. Для того чтобы эти два пучка фокусировались бы в одну точку объективом, необходимо обратное преобразование другими двумя клиньями, но расположенными основаниями наружу. При этом эти два клина могут быть совмещены со своими линзами.

Во всех упомянутых вариантах сближения параллельных пучков между пучками имеется фазовый сдвиг Ф, зависящий от величины ступеньки h и от угла падения лазерного пучка на выводное зеркало ϑ .

Φ = 2kh/cosϑ
где k = 2π/λ , λ - длина волны излучения лазера.

Максимальное качество излучения будет, очевидно, иметься при Ф = 2 π n, а минимальное - при Ф = π n.

Возможны разные способы обеспечить нужное соотношение фаз между пучками.

1. Изменением угла наклона зеркала относительно оси луча.

ΔΦ = 2kh(sinϑ/cos²ϑ)Δϑ
2. Изменением температуры выводного ступенчатого зеркала. При изменении температуры зеркала изменяется величина ступеньки в выводном ступенчатом зеркале
Δh = αhΔT,
где Δ T - изменение температуры зеркала, α - коэффициент температурного расширения материала зеркала, при этом изменяется разность фаз на величину ΔФ.

ΔΦ = 2kΔh/cosϑ = 2kαhΔT/cosϑ
3. Поглощенная часть мощности падающего на зеркало излучения также будет приводить к прогреву зеркала и изменению разности фаз между соседними пучками.

4. Возможно корректировать эту разность фаз Ф путем нанесения на зеркало поглощающего покрытия на длине волны управляющего излучения λ_упр#λ и освещать зеркало светом на этой управляющей длине волны λ_упр.

5. В случае двух раздельных зеркал возможно также изменение указанного фазового соотношения с помощью пьезокерамического привода или с помощью микрометрического винта в перпендикулярном поверхности зеркала направлении.

6. Быстрое изменение разности фаз Ф за счет колебания плоскости одной половины зеркала относительно другой с помощью привода приводит к периодическому с большой частотой модуляции качества излучению, без изменения уровня выходной мощности. Это явление может оказаться полезным при технологических операциях лазерной сварки, резки и пробивки отверстий.

Таким образом, при использовании в мощном лазере устойчиво-неустойчивого резонатора с двусторонним выходом излучения и использовании выводного зеркала специальной конструкции, описанной выше, удается решить противоречие между обеспечением высокого КПД в лазерах с низко усиливающей активной средой и обеспечением высокого качества излучения.

Литература
1. A.Borghese et al. Unstable - stable resonators with torroidal mirrors. Applied Optics. Vol. 20, N 20, 1981/3547-3552.

2. Забелин А. М. Проточный лазер с устойчиво-неустойчивым резонатором. Патент РФ N 2092947, БИ N 28, 1997 г.

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к мощным лазерам с высоким качеством излучения. Мощный лазер с устойчиво-неустойчивым резонатором включает протяженную активную среду, устойчиво-неустойчивый резонатор, имеющий плоскость устойчивости и перпендикулярную к ней плоскость неустойчивости. Вывод излучения в лазере осуществляется с помощью выводного зеркала с возможностью сближения выходных пучков с сохранением их параллельности. В плоскости неустойчивости резонатор имеет небольшой коэффициент увеличения М, 1<М<2. Технический результат изобретения состоит в увеличении КПД и выходной мощности лазера при одновременном значительном повышении качества излучения. 5 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Мощный лазер с устойчиво-неустойчивым резонатором, включающий протяженную активную среду, устойчиво-неустойчивый резонатор, имеющий плоскость устойчивости и перпендикулярную к ней плоскость неустойчивости, причем вывод излучения осуществляется с помощью выводного зеркала, отличающийся тем, что в плоскости неустойчивости резонатор имеет коэффициент увеличения M, 1 < M < 2, а выводное зеркало выполнено с возможностью сблизить выходные пучки при сохранении их параллельности. 2. Мощный лазер с устойчиво-неустойчивым резонатором по п.1, отличающийся тем, что упомянутое выводное зеркало состоит из двух плоских зеркал, каждое из которых отражает соответствующий ему выходной пучок, плоскости отражающих поверхностей зеркал параллельны и смещены друг относительно друга. 3. Мощный лазер с устойчиво-неустойчивым резонатором по каждому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что упомянутое выводное зеркало наклонено к оси резонатора, оно является ступенчатым и имеет две параллельные отражающие зеркальные поверхности, смещенные друг относительно друга на расстояние h = 2bsinϑ, где b - расстояние между выходными пучками устойчиво-неустойчивого резонатора, ϑ - угол наклона выводного зеркала к оси резонатора. 4. Мощный лазер с устойчиво-неустойчивым резонатором по каждому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что фазовый сдвиг Ф = 2kh/cosϑ между выходными пучками, образующийся после отражения от выводного ступенчатого зеркала, равен 0 или кратен 2π, где k = 2π/λ, λ - длина волны излучения лазера. 5. Мощный лазер с устойчиво-неустойчивым резонатором по п.4, отличающийся тем, что упомянутое значение фазового сдвига обеспечивается изменением температуры выводного зеркала. 6. Мощный лазер с устойчиво-неустойчивым резонатором по каждому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что по крайней мере одно из зеркал составного выводного зеркала имеет привод перемещения в перпендикулярном поверхности зеркала направления.