МНОГОЛУЧЕВОЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ЛАЗЕР Советский патент 1994 года по МПК H01S3/34 

Изобретение относится к многолучевым волноводным лазерам, направлено на повышение эффективности существующих лазеров этого типа и может быть конкретно использовано, в частности в технологических лазерах.

Известен многолучевой волноводный лазер, содержащий блок параллельных волноводов, заполненных активной средой, и оптический резонатор.

Данный многолучевой волноводный лазер соединяет преимущества однолучевого волноводного лазера (высокий КПД) и высокую выходную мощность излучения, получающуюся от сложения парциальных мощностей отдельных волноводов.

Такой многолучевой волноводный лазер имеет тот недостаток, что вследствие независимости процесса генерации в отдельных волноводах, полное выходное излучение лазера не является пространственно когерентным и, следовательно, не может быть сфокусировано на достаточно малой площади облучения. Таким образом, теряется принципиальное преимущество лазерного излучения - его высокая степень когерентности.

Наиболее близким является многолучевой волноводный лазер, содержащий, по крайней мере, один блок параллельных волноводов, заполненных активной средой, торец которого выполнен с отражающим покрытием, и оптический резонатор, состоящий из двух отражателей. Такой лазер является эффективным источником когерентного излучения, так как оптические колебания во всех волноводах в блоке оказываются синхронизованными, так как они (колебания) происходят синфазно с оптическими колебаниями, происходящими в сопряженном оптическом резонаторе, образуемом отражающим торцом блока и отражателем, расположенным на расстоянии от торца блока.

Однако многолучевой волноводный лазер имеет низкий КПД, так как излучение попадает от одного волновода к другому после многих отражений в сопряженном резонаторе, что приводит к потерям этого излучения при отражениях, так как отражающие поверхности поглощают часть излучения при каждом отражении.

Целью настоящего изобретения является повышение КПД многолучевого волноводного лазера.

Поставленная цель достигается тем, что в многолучевом волноводном лазере, содержащем, по крайней мере, один блок параллельных волноводов, заполненных активной средой, торец которого выполнен с отражающим покрытием, и оптический резонатор, состоящий из двух отражателей, один из отражателей выполнен в виде многопроходной зеркальной системы из трех сферических отражающих поверхностей, одна из которых совмещена с торцом блока, и двух автоколлимационных отражателей, причем отверстия волноводов на поверхности торца блока совпадают с внутренними фокусами многопроходной зеркальной системы, а автоколлимационные отражатели - с ее внешними фокусами.

Такое выполнение многолучевого волноводного лазера позволяет при высокой когерентности излучения и высокой выходной мощности значительно повысить КПД лазера. Это достигается путем обеспечения условий связной генерации во всех участвующих волноводах и сопутствующего когерентного сложения мощностей отдельных волноводов при наличии острой фокусировки излучения от каждого волновода на всех остальных.

На фиг. 1 схематически представлено сечение многолучевого волноводного лазера; на фиг. 2 - блок волноводов, вид сбоку.

Многолучевой волноводный лазер содержит блок 1 параллельных волноводов 2, торец блока выполнен в виде сферической отражающей поверхности 3, полупрозрачный отражатель 4, сферические отражатели 5, образующие вместе с отражателем 3 многовходовую зеркальную систему типа Уайта; автоколлимационные отражатели 6, установленные непосредственно у торца на боковой поверхности блока волноводов. Через полупрозрачный отражатель 4 выводится выходное излучение лазера, схематически изображенное стрелкой 7.

Тонкой линией между отражателями 4, 5, 6 показан ход центрального луча для случая 16-кратного прохождения. Пунктиром показаны промежуточные изображения 8 отражателей 6 на поверхности 3; волноводы 2 должны попадать своими отверстиями на указанные промежуточные изображения; отверстия должны совпадать с фокусами многопроходной системы (фиг. 2).

Многолучевой волноводный лазер работает следующим образом.

При распространении световых пусков в волноводе в нем возбуждаются дискретные моды, характеризуемые углами наклона световых пучков Θ к оси волновода. В правильно скорректированном волноводном лазере пучок таких лучей, расходящийся от торца волновода под углом 2 Θ , как раз заполняет сферическое зеркало резонатора и собирается этим зеркалом под тем же углом обратно, на отверстии волновода. В данном многолучевом волноводном лазере пучок, расходящийся под углом 2 Θ от торца волновода, собирается одним из отражателей 5 под этим же углом 2 Θ на каком-либо другом волноводе и многократно собирается затем отражателями 5 на торцах всех волноводов, составляющих блок.

Все волноводы оказываются таким образом связанными посредством излучения, распространяющегося между отражателями 3, 5, 6, и колебания оптического поля во всех волноводах происходят когерентно, чем обеспечивается устойчивая когерентность выходного излучения всего лазера.

Описанная конструкция многолучевого волноводного лазера обеспечивает максимальную гибкость при выборе режима работы и настройке, поскольку для настройки отражателя 6 могут быть сняты для визуальной инспекции расположения промежуточных фокусов. Однако при серийном изготовлении возможен упрощенный вариант исполнения, когда один из автоколлимационных отражателей упраздняется и его роль выполняет один из отражателей 5, для чего многопроходная система должна быть настроена таким образом, чтобы центр кривизны одного из отражателей 5 совпал с одним из промежуточных изображений 8.

Для успешной работы любого генератора колебаний необходимо выполнять условие, чтобы усиление в активном звене генератора (в данном случае - в волноводе) превышало потери.

Потери волноводного лазера складываются из следующих составляющих частей: потери внутри волновода, потери на зеркалах резонатора; потери сопряжения волновода с открытым пространством.

Условие превышения усиления над потерями выполняется при обычных, даже не очень высоких коэффициентах отражения зеркал резонатора и при выполнении того требования, чтобы кривизна фронта излучения выходящего из волновода и возвращаемого в волновод была бы одинаковая. Последнее требование выполняется при выполнении радиуса кривизны зеркала резонатора, равным расстоянию от зеркала до торца волновода. Конструкция данного многолучевого волноводного лазера допускает применение таких же самых волноводов и такое же (и лучшее) качество отражающих поверхностей зеркал. Однако входящий и выходящий в волновод пучки не соосны с волноводом, что может вызвать небольшое искажение сферического фронта этих пучков (на фиг. 1 нанесены пунктиром два таких пучка). При этом наступит некоторое увеличение потерь сопряжения, которые во всяком случае не возрастут более чем до 6% , так что условие превышения усиления над потерями будет сохранено и генерация возникнет.

Таким образом, выше показаны способ практического осуществления и эффективность предлагаемого многолучевого волноводного лазера.

Технико-экономический эффект от внедрения предлагаемого многолучевого волноводного лазера связан со значительным (на десятки % ) снижением весогабаритных характеристик соответствующих лазерных устройств при одновременном повышении их КПД по крайней мере на 10-15% . (56) Антюхов В. В. и др. Многолучевой волноводный СО₂-лазер, возбуждаемый разрядом переменного тока. Квантовая электроника, 1980, т. 7, с. 425.

МНОГОЛУЧЕВОЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ЛАЗЕР, содержащий по крайней мере один блок параллельных волноводов, заполненных активной средой, торец которого выполнен с отражающим покрытием, и оптический резонатор из двух отражателей, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, один из отражателей выполнен в виде многопроходной зеркальной системы из трех сферических отражающих поверхностей, одна из которых совмещена с торцом блока, и двух автоколлимационных отражателей, причем отверстия волноводов на поверхности торца блока совпадают с внутренними фокусами многопроходной зеркальной системы, а автоколлимационные отражатели - с ее внешними фокусами.