РЕЗОНАТОР Российский патент 2005 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к конструкции устойчивых резонаторов открытого типа для лазеров.

Известны оптические резонаторы, используемые в лазерах, образованные совокупностью зеркал, в пространстве между которыми находится активная среда. Известны в том числе резонаторы, содержащие полупрозрачные выходные зеркала (резонансные отражатели) с периодической структурой поверхности, например, в виде плоской дифракционной (одномерной проволочной) решетки или в виде дискретно расположенных по поверхности зеркала поглощающих или рассеивающих неоднородностей (патенты РФ №2025846, 2025845, авт. св. СССР №1636907).

Рассмотренные резонаторы являются дорогостоящими из-за технологической сложности изготовления выходных зеркал (резонансных отражателей), а также чувствительными к лучевой перегрузке. Поэтому, например, для отладки лазера с целью определения оптимальных режимов работы системы подготовки активной среды часто используются также известные устойчивые оптические резонаторы открытого типа, в которых применяются плоские непрозрачные выходные зеркала, изготовленные, например, из бескислородной меди или циркониевой бронзы с периодической структурой поверхности в виде отверстий (перфорированные зеркала) (1. Книга Лосева С.А. Газодинамические лазеры. - М.: Наука, 1977 г., с.43; 2. Журнал прикладной спектроскопии, т. XXVIII, вып. 1, январь 1978 г., статья “Периодические моды оптического резонатора”, авт. В.К.Аблеков, B.C.Беляев и др., а также том XX III, вып. 6, декабрь 1975 г., статья “Системный подход в задаче об оптическом резонаторе”, авт. В.К.Аблеков и B.C.Беляев).

Недостатком данных резонаторов являются потери мощности генерации при оптимальном коэффициенте пропускания из-за дифракции излучения на малых “апертурах”, образующихся между отверстиями, а также из-за рассеяния и поглощения излучения на кромках отверстий. При большом количестве отверстий потери мощности могут быть существенными.

Задача изобретения - снижение потерь мощности в устойчивом резонаторе открытого типа путем оптимизации параметров выходного плоского непрозрачного зеркала с периодической структурой поверхности в виде отверстий.

Технический результат поставленной задачи достигается тем, что в резонаторе, содержащем систему, как минимум, из двух зеркал, соединенных с возможностью оптического взаимодействия, например, вогнутое и выходное плоское непрозрачное зеркало с периодической структурой поверхности в виде отверстий и активную среду, размещенную между зеркалами, отверстия в выходном зеркале расположить в шахматном порядке: количество отверстий определить соотношением: n=t_optS/S_o, где t_орt - оптимальный коэффициент пропускания, S - площадь световой апертуры зеркала, S_o - площадь одного отверстия; отверстия расположить с расстоянием между их центрами диаметр отверстий на рабочей поверхности зеркала определить соотношением: , где N_o=0,2 – число Френеля отверстия, λ - длина волны излучения лазера, L - длина резонатора.

Сечение отверстий может быть выполнено прямоугольно-ступенчатым или конусным с большим диаметром на внешней стороне зеркала: D≥ d₀+h_З·_{(20λ /d0), D - диаметр отверстия на внешней стороне зеркала; dо - диаметр отверстия на внутренней стороне (рабочей поверхности) выходного зеркала; hЗ - толщина плоского выходного зеркала.}

На фиг.1 представлена схема резонатора.

На фиг.2 - вариант конструкции устойчивого резонатора открытого типа.

На фиг.3 - непрозрачное плоское выходное зеркало с отверстиями.

На фиг.4 - номограмма для определения уровня составляющей дифракционных потерь.

Вариант конструкции оптического открытого резонатора газодинамического СО₂ лазера представлен на фиг.2.

Резонатор содержит вогнутое зеркало 1 с радиусом кривизны R=L/(1-g₂), где g₂=0,8... 0,9 (параметр устойчивости резонатора), поворотные зеркала 2, 3 и выходное плоское зеркало 4 с периодической структурой в виде отверстий. Толщина плоского прямоугольного выходного зеркала h_З=(a+b)/(2γ ), где a, b - длины сторон зеркала, γ =6...8 (конструктивный параметр зеркала). Фланцы резонатора 6, 7 жестко связаны друг с другом соединительными трубами 8 и установлены на регулируемые опоры, например, домкраты 9. Зеркала резонатора 1, 2, 3, 4 установлены внутри коробов 10, 11, которые жестко связаны с газопроточной частью, где находится активная среда (смесь газов СО₂, N₂, Н₂О). Короба 10, 11 не имеют жесткой связи с фланцами резонатора 6, 7. Зеркала 1, 2, 3, 4 крепятся к фланцам с помощью специальных стержней, проходящих через отверстия 12 в коробах 10, 11. Герметичность резонатора обеспечивается гибкими резиновыми сильфонами, устанавливаемыми в отверстия 12, и крышками, закрывающими короба 10, 11 по наружным фланцам (на фиг.2 виден такой фланец 13 для короба 10).

Оптимальные параметры периодической структуры в виде сквозных отверстий, расположенных по поверхности выходного плоского непрозрачного зеркала, определяются в следующем порядке.

Диаметр отверстий d₀ выбирают, исходя из соображений, что отверстия должны быть достаточно малыми и не вносить искажений в распределение интенсивности внутри резонатора:

где N₀ - число Френеля отверстия, λ - длина волны, L - длина резонатора.

Суммарные потери β в рассматриваемом устойчивом резонаторе являются суммой следующих потерь:

- потери на зеркалах за счет поглощения и рассеяния на их рабочих поверхностях; обозначим эту составляющую β ₁:

где n_З - общее число зеркал в резонаторе, β ₀ - потери на одном зеркале (зависят от материала покрытия и качества зеркала);

- потери, вносимые периодической структурой отверстий на выходном зеркале. Эти потери, в свою очередь, включают две составляющих: β ₂ - потери из-за дифракции излучения на малых “апертурах”, которые образуются между отверстиями; β ₃ - потери излучения на поверхностях зеркала вблизи кромок отверстий (такие неблагоприятные зоны вблизи кромок обусловлены, как показывает опыт, технологией изготовления зеркал). Составляющие β ₂ и β ₃ зависят от размера отверстий, их количества и порядка расположения.

Если h - средняя ширина неблагоприятной зоны вблизи кромки отверстия, то можно записать: β ₃=(π d₀·_{n· h)/S, а с учетом того, что и n=t· S/S0, где t - коэффициент пропускания выходного зеркала, получим:}

Для определения потерь β ₂ было проведено численное моделирование устойчивого резонатора с плоским непрозрачным зеркалом с периодической структурой в виде отверстий. На основании расчетов построена номограмма (фиг.4), позволяющая определить уровень составляющей дифракционных потерь β ₂ в зависимости от коэффициента пропускания выходного зеркала t, равного t=n· S₀/S, и числа Френеля резонатора . Условную зависимость составляющей потерь β ₂ от основных параметров резонатора можно записать в виде:

где g₁ и g₂ - параметры устойчивости для плоского и вогнутого зеркал соответственно.

Для рассматриваемого устойчивого резонатора открытого типа с учетом требования к диаметру отверстий, которые должны быть достаточно малыми и не вносить искажений в распределение интенсивности внутри резонатора, можно задаться значением N₀=0.2 (1). Т.к. выходное зеркало плоское, то g₁=1, а g₂ целесообразно выбрать в диапазоне g₂=0,8... 0,9. В этом случае обеспечивается хорошее заполнение активной среды резонаторной модой и достаточно низкая чувствительность резонатора к аберрациям. Именно для таких значений N₀ и g₂ и построена номограмма фиг.4.

Таким образом, для устойчивого резонатора открытого типа с периодической структурой в виде отверстий известное соотношение для определения мощности генерации:

где L_AC - протяженность активной среды вдоль оси резонатора; k₀ - средний по объему среды коэффициент усиления слабого сигнала; I_S - интенсивность насыщения, примет с учетом (4) следующий вид:

Затем по вновь полученной формуле (5) с использованием соотношений (2) и (3) и номограммы фиг.4 строится график зависимости мощности генерации от коэффициента пропускания резонатора. По графику определяется значение t_opt, обеспечивающее максимальную мощность. По формуле n=t_opt·_{S/S0 определяется количество отверстий в плоском непрозрачном выходном зеркале, обеспечивающее topt Экспериментально установлено, что отверстия на зеркале должны располагаться в шахматном порядке на расстоянии между их центрами . В сечении отверстия должны иметь прямоугольно-ступенчатую или конусную форму с большим диаметром на внешней стороне зеркала: D=d0+hЗ·(20λ /d0) (фиг.4).}

Резонатор работает следующим образом.

Активная среда газодинамического лазера (смесь газов СО₂, N₂, H₂O) проходит в канале между зеркалами (фиг.1) со скоростью, в несколько раз превышающей скорость звука. При этом возбужденные частицы СO₂ излучают кванты света (фотоны) с длиной волны 10,6 мкм. Те фотоны, которые движутся вдоль оптической оси резонатора, многократно отражаются от зеркал, возвращаясь каждый раз в активную среду. В ней они взаимодействуют с возбужденными частицами СO₂, вызывая излучение теми новых фотонов. То есть свет внутри резонатора лавинообразно усиливается. Прокачка активной среды через резонатор обеспечивает приток все новых возбужденных частиц и поддержание лазерного излучения. Часть света выходит из резонатора через отверстия плоского зеркала. Резонатор работает в заданном режиме с меньшими потерями мощности генерации.

Использование резонатора с оптимальными характеристиками, например, для отладки лазера при поиске оптимальных режимов работы системы подготовки активной среды, а также при определении энергетических характеристик лазера или при высокой лучевой нагрузке, критической для традиционных полупрозрачных зеркал, позволит снизить сроки и стоимость выполнения работ.

Резонатор содержит как минимум систему из двух зеркал, соединенных с возможностью оптического взаимодействия, вогнутого и выходного плоского непрозрачного зеркала с периодической структурой поверхности в виде отверстий и активную среду, размещенную между зеркалами. При этом отверстия в выходном зеркале расположены в шахматном порядке, количество отверстий и диаметр определяют по соответствующим формулам. Технический результат - снижение потерь мощности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Резонатор, содержащий систему, как минимум, из двух зеркал, соединенных с возможностью оптического взаимодействия, например, вогнутого и выходного плоского непрозрачного зеркала с периодической структурой поверхности в виде отверстий, и активную среду, размещенную между зеркалами, отличающийся тем, что отверстия в выходном зеркале расположены в шахматном порядке: количество отверстий определено соотношением n=t_opt·_{S/So, где topt - оптимальный коэффициент пропускания, S - площадь световой апертуры зеркала, So - площадь одного отверстия; расстояние между центрами соседних отверстий}

диаметр отверстий определен соотношением

, где N_o=0,2 - число Френеля отверстия, λ - длина волны излучения лазера, L - длина резонатора.