Лазер с неустойчивым резонатором Советский патент 1985 года по МПК H01S3/02 

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к лазерам, и может быть использовано для возбуждения генерации в лазерах на растворах органических соединени для зондирования атмосферы, для лазерной обработки материалов и в дру гих областях науки и техники. Известен лазер с неустойчивым телескопическим -р-езонатором, образо ванный вьшуклым и вогнутым зеркалами с коэффициентами отражения, равными 100%, на длине волны генерации 1 J, Внутри.резонатора помещен активный элемент. В таком лазере вывод излучения из резонатора осуществляется мимо выпуклого зеркала, размеры которого в М раз .меньше размеров активного элемента (М - увеличение резонатора, указывающее, во скохсько раз увеличиваются размеры сечения светового пучка после однократного обхода по резонатору), К недостатка такого лазера следует отнести неоднородное поперечное распределение поля генерируемого излучения в ближ ней и дальней волновых зонах; образ вание и поперечном распределении, в промежуточной между ближней и . дальней зонами, пятна с очень высок интенсивностью (пятна Пуассона), ко торое может привести к повреждению оптических элементов; малую яркость генерируемого излучения. Наиболее близким по технической сущности к данному является лазер с неустойчивым резонатором 2. Резонатор такого лазера образова вогнутым зеркалом и выпуклым зеркалом, с коэффициентами отражения 100 на длине волны генерации. Внутри резонатора последовательно размещен диафрагма, поляризатор, .активный элемент и линейная фазовая пластинка из кристаллического кварца с разностью хода для обыкновенного и необыкновенного лучей, равной чет.верти длины волны. Для получения моноимпульсного режима работы лазера между вогнутым зеркалом и диафрагмой может быть размещен модулятор добротности. К недостаткам такого лазера след ет отнести невысокую яркость генери руемого излучения, так как в лазере не устранено вредное влияние наведенного в активном элементе двулучепреломления, энергия, запасенная в активном элементе, используется не полностью, а диафрагма рассеивает- внутрь резонатора лазера перифе рийную часть падающего на нее излучения; небольшую надежность и долго.вечность лазера, вызванную тем, что в процессе его эксплуатации происходит разрушение лазерным излучением диафрагмы, в результате чего ухудшаются характеристики генерируемого излучения и, кроМе того., имеет место разбрызгивание материала, из которого изготовлена диафрагма, на оптические элементы лазера и последующее разрушение этих элементов лазерньм излучением. Целью изобретения является увеличение яркости генерируемого излучения при одновременном увеличении долговечности и надежности лазера. Цель достигается тем, что в ла-зере с неустойчивым резонатором, образованным двумя сферическими зеркалами, между которыми на одной опти- ческой оси размещены активньй элемент, линейная фазовая пластинка, последовательно установленные диафрагма и поляризатор, зеркало, расположенное перед диафрагмой, вьтолнено выпуклым, другое зеркало - вогнутым, а линейная фазовая пластинка установлена между поляризатором и активным элементом, и диафрагма выполнена в виде конусного оптического элемента, ограниченного двумя соосными yce teHными пересекающимися коническими поверхностями, с углами 0 и уЗ при вершинах, удовлетворяющими соотношениям ) + 7Г 0 arctgCD + d /6 oi + ,2rarcsin(:21-2i/2)-arcsinIl . L . V n / n J причем вершины лежат по. одну сторону от общего сечения конических noBejpxностей, расстояние между вершинами равно а |(ctg. 1Ь12 - ctg(//2), где d - диаметр сечения конических поверхностей; n - показатель преломления материала конусного оптического элемента; D - диаметр активного элемента; - расстояние от конусного оптического элемента до ближайщего к нему торца активного элемента, . при этом общее сечение конических поверхностей обрацено к прляризатоРУ. . На фиг. 1 представлена общая схема лазера с неустойчивым резонатор.ом; на фиг. 2 - диафрагма, выполненная в виде конусного оптического элемента; на фиг. 3 - ход лучей, падающих на диафрагму от актив ного элемента лазера; на фиг, 4 ход лучей, идущих от вьтуклого зерк ла к диафрагме. Схема лазера с неустойчивым резонатором содержит выпуклое зеркало вогнутое зеркало 2, активный эле. мент 3 лазера, выполненный в виде стержня с плоскими торцами, линейную фазовую пластинку 4, диафрагму 5 поляризатор 6.; стрелками обозначено направление излучения в резонаторе лазера. Угол ei при вершине одной конической поверхности выбирается таким образом, чтобы исключить попа дание в активный элемент излучения из периферийной зоны коллимированно пучка, который распространяется в н правлении от вогнутого зеркала и ис пытывает френелевское отражение на указанной конусной поверхности (см, фиг, 3), Угол уз при вершине другой ,конической поверхности выбирается таким образом, чтобы периферийная часть коллимированного потока излуч ния, распространяющегося в направле НИИ от вогну.того зеркала, испытьгоал полное внутреннее отражение (фиг. 3 и чтобы периферийная часть расходящ гося потока излучения, распространя ющегося в направлении от выпуклого зеркала 1, при френелевском отражеНИИ от этой поверхности и преломле- НИИ в конусном оптическом элементе не попадала в активный элемент (см, фиг, 4), Описываемое устройство работает следующим образом. Выходящее из активного элемента излучение проходит последовательно через линейную фазЪрую пластинку4, поляризатор 6 и становится при этом поляризованным в плоскости пропускания поляризатора 6, Затем излучение проходит через диафрагму 5 и па дает на выпуклое зеркало 1. Отраженный от выпуклого зеркала 1 поток излучения становится расходящимся и проходит последовательно через диафрагму 5, поляризатор 6 и линейнзпо фазовую пластинку 4, становясь после нее эллиптически поляризованным. Затем поток излучения усиливается в активном элементе 3 и попадает на вогнутое зеркало 2, Отраженный от вогнутого зеркала 2 и прошедший через активный элемент-3 поток излучения имеет дифракционную расходимость. Он проходит через линейную фазовую пластинку 4, после которой становится поляризованным на л75% в плоскости, перпендикулярной плоскости пропускания поляризатора 6 (%25% его поляризовано в плоскости пропускания поляризатора 6), и, отражаясь от него, вьщодится из резонатора. Та часть потока излучения, которая пропускается поляризатором 6, слзтит для осущйствлен.ия положительной обратной связи в резонаторе. Она проходит через диафрагму 5, которая предназначена для отсекания излучения из периферических областей лазерного пучка, и формирует поток излу 1ения такого диаметра, который необходим для полного заполнения им активного элемента 3, Сущность изобретения поясняется следующим примером. В лазере на алюмо-иттриевом гранате, активированнбм ионами Nd , работающем в режиме модулированной добротности, активный элемент имеет плоскопараллельные торцы, концентрация ионовNd 0,88 весового процента;, диаметр 6,3 мм и длину 80 мм (в генерации участвовало только 60 мм длины активного элемента) и импульсная лампа типа ИСП-2500 размещается в стандартном посеребреном кварцевом отражателе, который, в свою очередь, герметично закрегшен в осветителе, В экспериментах используют осветитель и кварцевьй отражатель от изделия ИЗ-25, Активный элемент и импульсную лампу охлаждают О,2%-ным раствором хромовокислого калия в дистиллированной воде. Резонатор лазера длиной 380 мм образован выпуклым и вогнутым зеркалами с радиусами -кривизны рабочих поверхностей соответственно Rj 1499,7 мм и RI 709,6 мм. Зеркала имеют коэффициенты отражения на длине волны генерации Л 1,064 мкм, равные . 99,5%. В резонаторе лазера между выпуклым и вогнутым зеркалами последовательно размещается, электрооптический модулятор добротности, БЫпЬлненньй из кристалла ДКДР, диафрагма, вьшолненная в виде конусного оптического элемента с диаметром сечения 4 мм и углами при. вершинах конических поверхностей 174° и 84°, вьшолненный из стекла поляризатор,,в качестве которого испол зуют призму Глана с воздушным зазором, линейная фазовая пластинка, выполненная из кристаллического кварца в виде четвертьволновой пластинки, и активный элемент. На в.се рабочие поверхности всех оптических элементов (кроме конусного оптического элемента), расположенных внутри резонатора лазера, нанесены просветлянмцие покрытия. Для электропитания лазера используют, блок питания Тангаж, который обеспечивает подачу импульсного питания на лампу ИС11-2500 с энергией в импульсе до 46 Дж и частотой до 50 Гц, а также управление электрооптическим модулятором добротности. В лазере достигну ты следующие характеристики: Энергия в импульсе 0,27 Дж; Длительность импульса генерации на полувысоте 15 не; Расходимость потока генерируемого излучения 0,5 фaд; Яркость потока генерируемого излу 9,17.10 стерад Если в резонатор лазера вместо ко нусного оптического элемента поместить металлическую диафрагму диаметром 4 мм, то расходимость генерируемого излучения возрастает до tO,55 мрад, а энергия импульса генера ции уменьшается до 0,24 Дж. Кроме то го, после наработки лазером s80 часов диафрагма сильно разрушается под действием лазерного излучения а на местах попадания 5рызг металла диафр 10 7 мы на кристалл электрооптического модулятора и поляризатора образуются темные пятна, В результате увеличивается расходимость генерируемого потока излучения до 7iO,8 мрад, а энергия уменьшается до йО,2 Дж, что приводит к необходимости замены диафрагмы поляризатора и кристалла электрооптического модулятора добротности. В случае установки в резонатор лазера на место диафрагмы конусйого оптического элемента параметры лазера не ухудшаются и оптические элемен- ты не получают никаких разрушений при эксплуатации лазера более 200 ч. За базу сравнения принято устройство, описанное в прототипе. Активный элемент прототипа имеет диаметр 6,3 мм, длину 80 м. В генерации принимает участие 70 мм длины активного элемента. Лазер MY-32 фирмы Моtectron Corporation без дополнительных усилителей -имеет следующие характеристики : Энергия в импульсе 0,2 Дж; Длительность импульса генерации на полувысоте 15 не; Расходимость потока генерируемого излучения 0,6 мрад; Яркость потока генерируемого излуМВт . чения 4,77-10 стерадСледовательно, лазер данной конструкции имеет яркость в Г, 94 раза бочьшую яркости-лазера MY-32 при равной длительности импульса излучения, и улучшенные рабочие характеристики (расходимость излучения, энергию в импульсе и т.д.). . . Таким образом, вьшгеописанная конструкция лазера с неустойчивым резонатором позволяет увеличить яркость генерируемого излучения при одновременном увеличении долговечности и надежности лазера. Предварительная оценка экономии, которую может получить народное хозяйство от применения изобретения в вышеуказанных областях при среднегодовой потребности 300 лазеров составит около 4 млн.руб.

1 5

0ue.f

1. ЛАЗЕР С НЕУСТОЙЧИВЫМ РЕЗОНАТОРОМ, образованный двумя сферическими зеркалами, между которыми на оптической оси размещены активный элемент, линейная фазовая пластинка, последовательно установленные диафрагма и поляриз атор, отличающ и и с я тем, что с целью увеличения яркости генерируемого излучения, зеркало, расположенное перед диафрагмой, выполнено выпукльм другое зеркало - вогнутым,а линейная фазовая; пластинка установлена между поляри- , затором, и активным элементом. 2. Лазер по п. 1,отлич а ю щ и и с я тем, что, с целью увеличения долговечности и надежности . лазера, диафрагма выполнена в виде JcoHycJHorbоптического элемента,.ограниченного двумя соосными усеченными пересекающимися коническими поверхностями, с углами ct и /3 при .вершинах, удовлетворяющими соотношениям D + d / оГ /2 arctg -51- /3 i ot- ;2|arcsi, / L arcsin причем вершины лежат по одну сторону от общего сечения конических поверхностей, расстояние между вершинами (Л а -(ctg у9/2 - ), где d - диаметр сечения конических поверхностейJ п - показатель преломления материала конусного оптичессд кого элемента; о сд о D - диаметр активного элемента; С - расстояние от конусного оптического элемента до ближайшего к «ему TopBia активного элемента,. при этом общее сечение конических поверхностей обращего к поляризатору.i