ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР Советский патент 1995 года по МПК H01S3/34 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано при создании газовых лазеров с повышенной мощностью линейно поляризованного излучения, в частности газовых лазеров с малым коэффициентом усиления активной среды. Изобретение может быть использовано в лазерных технологических установках, использующих линейно поляризованное излучение с повышенной степенью поляризации.

Известна конструкция газового лазера, содержащего резонатор и активный элемент с оптическим узлом, включающим окно из оптического кварцевого стекла, прозрачного в рабочем диапазоне спектра, установленное в резонаторе под углом Брюстера.

Известная конструкция лазера позволяет получить достаточно высокую мощность линейно поляризованного излучения в видимом диапазоне спектра за счет снижения оптических потерь на отражение от рабочей поверхности окна, так как последнее установлено под углом Брюстера.

К недостаткам лазера относятся низкие мощность излучения и КПД в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне спектра, так как генерация излучения происходит вблизи границы прозрачности материала окна, и при уменьшении рабочей длины волны оптические потери увеличиваются из-за увеличения коэффициента поглощения. Это приводит к невозможности получения генерации в лазерах с малым усилением активной среды вследствие превышения коэффициентом потерь коэффициента усиления.

Другим недостатком известного лазера является снижение мощности излучения и КПД в процессе службы, так как воздействие спонтанного излучения активной среды на длинах волн, попадающих в область фундаментного поглощения стекла, приводит к увеличению коэффициента поглощения материла окна и возрастанию оптических потерь на рабочих длинах волн вследствие образования F - центров и появления люминесценции. Поглощение лазерного излучения вызывает неоднородный нагрев окна, появление термооптических искажений и дополнительное увеличение оптических потерь.

Известна конструкция газового лазера, содержащая активный элемент с оптическим узлом, включающим окно Брюстера, выполненное из алмаза.

Преимущество такой конструкции заключается в том, что уменьшаются дополнительные оптические потери, вызываемые термооптическими искажениями, так как вследствие высокой теплопроводности алмаза уменьшается неоднородность нагрева окна поглощаемым лазерным излучением.

Недостатками этой конструкции являются высокая стоимость и сложность оптического узла, а также малый размер световой зоны окна, что обусловлено высокой стоимостью и технологическими трудностями получения крупных алмазов. Более дешевые окна из алмазной теплопроводящей керамики, полученные путем прессования и спекания алмазного порошка, обладают высокими оптическими потерями в УФ-области спектра, так как структура таких окон поликристаллическая.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является газовый лазер, содержащий резонатор и активный элемент с оптическим узлом, включающим окно Брюстера, выполненное из кристаллического кварца, который является гиротропных двулучепреломляющим материалом. В этом лазере оптическое окно из кристаллического кварца имеет эллиптическую форму и вырезано при изготовлении таким образом, что оптическая ось кристалла составляет меньшую ось эллипса и при установке окна в резонаторе ориентируется в направлении, перпендикулярном оси резонатора лазера.

Преимущество данной конструкции лазера по сравнению с конструкцией, в которой окна из кварцевого стекла, заключается в отсутствии люминесценции окон под действием излучения, так как кристаллический кварц, из которого изготовлены окна, не содержит структурных дефектов, приводящих к образованию F-центров. Большая прозрачность кристаллического кварца и отсутствие F-центров по сравнению со стеклом обеспечивают повышение стабильности мощности излучения и долговечности лазера в УФ-диапазоне спектра. В этой конструкции также устраняется двулучепреломление, так как оптическая ось кристалла лежит в плоскости рабочей поверхности окна и перпендикулярна оптической оси резонатора.

По сравнению с конструкцией лазера, в которой окна из алмаза, известная конструкция лазера проще, менее трудоемка в изготовлении и дешевле, а также позволяет получать генерацию лазерного излучения в УФ-области спектра с большим диаметром пучка.

Недостатком известной конструкции газового лазера является то, что в ней не устраняется оптическая активность (гиротропия) кварца, наличие которой приводит к снижению мощности генерации и КПД лазера вследствие эллиптичности поляризации излучения, проходящего через окно. При наклонном падении на рабочую поверхность окна (в частности, под углом Брюстера) эллиптически поляризованного луча направление вектора колебаний в луче непрерывно меняется и периодически становится перпендикулярным к плоскости падения (т.е. плоскости, образованной падающим лучом и проекцией его на рабочую поверхность окна). При этом коэффициент отражения луча от рабочей поверхности окна Брюстера увеличивается, что приводит к увеличению оптических потерь и, как следствие, уменьшение мощности излучения и КПД лазера.

Кроме того, эллиптичность поляризации излучения приводит к зависимости оптических потерь от длины волны излучения и толщины окна. В результате максимальная мощность генерации не может быть достигнута для всех длин волн рабочего диапазона спектра, а на некоторых длинах волн генерация вообще не может быть получена вследствие увеличения оптических потерь, вызванного повышенным коэффициентом отражения от рабочих поверхностей окна. Зависимость оптических потерь от толщины окна приводит к необходимости ужесточения допуска на толщину, что усложняет технологию изготовления окон.

Другим недостатком лазера известной конструкции является невысокая степень поляризации лазерного излучения, что связано с наличием гиротропии кварца, приводящей к эллиптичности поляризации излучения. Этот недостаток приводит к снижению КПД и производительности лазерных технологических установок, используемых, в частности, в производстве голографической оптики и интегральных схем.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно увеличение мощности и степени поляризации излучения.

Указанная цель достигается тем, что в газовом лазере, содержащем резонатор и активный элемент с оптическим узлом, включающим окно Брюстера, выполненное из гиротропного двулучепреломляющего кристалла, рабочая поверхность окна выполнена под углом θ= arcsin (sinϕcosβ) к оптической оси кристалла и расположена в резонаторе так, что угол γмежду проекциями оптической оси кристалла и оси резонатора на рабочую поверхность окна удовлетворяет условию γ= arctg x(tgβ/сosϕ), где ϕ- угол Брюстера,
β- угол между оптической осью кристалла и направлением, в котором отсутствует вращение плоскости поляризации.

При указанной ориентации рабочей поверхности окна главное сечение кристалла оказывается перпендикулярным к плоскости падения луча на рабочую поверхность окна, а луч проходит в направлении, составляющем угол β с оптической осью кристалла, которое характеризуется отсутствие эффекта вращения плоскости поляризации. При этом лазерное излучение, проходящее через окно Брюстера, является линейно поляризованным, и направление колебаний в луче перпендикулярно главному сечению кристалла. В результате устраняются двулучепреломление и гиротропия кристалла, что сводит к минимуму оптические потери и позволяет повысить мощность излучения, КПД лазера и степень поляризации лазерного излучения.

Так как плоскость падения луча является плоскостью симметрии оптического узла, то возможны два варианта ориентации окна, не отличающихся по сущности изобретения.

На фиг. 1 показан ионный газовый лазер, содержащий активный элемент с оптическими окнами из кристаллического кварца; на фиг.2 - сечение части окна плоскостью, проходящей через оптическую ось резонатора и нормаль к рабочей поверхности окна; на фиг.3 - проекция оптического узла на рабочую поверхность окна; на фиг.4 - ориентация оптической оси кристалла относительно рабочей поверхности окна; на фиг.5 - проекция оптического узла на рабочую поверхность окна при втором варианте ориентации окна; на фиг.6 - ориентация оптического окна относительно оптической оси резонатора и оптической оси кристалла в аксонометрической проекции; на фиг.7 - прохождение лазерного излучения через оптическое окно в аксонометрической проекции.

Газовый лазер (см.фиг.1) состоит из оптического резонатора, образованного зеркалами 1, и активного элемента 2, помещенного в резонатор и имеющего оптические узлы 3, включающие оптические окна 4, выполненные из гиротропного двулучепреломляющего кристалла, например кварца. Ориентация рабочей поверхности оптического окна 4, обеспечивающая минимальные оптические потери, определяется взаимным пространственным расположением (см. фиг. 2-4) оптической оси резонатора 5, нормали 6 к рабочей поверхности 7 окна, оптической оси кристалла 8. Оптическая ось резонатора 5 (см.фиг.2) составляет с нормалью 6 к рабочей поверхности 7 окна угол Брюстера ϕ равный arctg n_o, где n_o - коэффициент преломления обыкновенного луча.

Оптическое окно имеет две плоскопараллельные рабочие поверхности 7, каждая из которых получена путем резки, шлифовки и полировки кристалла и составляет угол θ с оптической осью кристалла 8 (см.фиг.4), причем угол θ определяется по формуле:
sin θ= sinϕcosβ,
θ= arcsin (sin ϕcosβ), где ϕ - угол Брюстера;
β - угол между оптической осью кристалла и направлением, в котором отсутствует вращение плоскости поляризации.

Оптическая ось кристалла 8 является одной из кристаллофизических осей, пространственное положение которой контролируется в процессе резки, шлифовки и полировки кристалла, чем обеспечивается ориентация рабочей поверхности 7 окна под углом θ к оптической оси кристалла 8. Проекция 9 оптической оси кристалла (см.фиг.3) на рабочую поверхность 7 окна составляет с проекцией 10 оптической оси резонатора угол γ определяемый по формуле:
tgγ =
γ = arctg
Для более наглядного представления ориентации окна в пространстве на фиг. 6 в аксонометрической проекции показан разрез окна. Одна секущая плоскость проходит через оптическую ось резонатора 5, другая - через оптическую ось кристалла 8. Таким образом, обе секущие плоскости образуют между собой двугранный угол γ равный углу между проекциями оптических осей резонатора и кристалла на рабочую поверхность 7 оптического окна.

Предложенная конструкция лазера допускает два варианта ориентации окна 4 в резонаторе, обеспечивающих одинаковые минимальные оптические потери и отличающихся друг от друга симметричным расположением оптической оси кристалла относительно плоскости, проходящей через оптическую ось резонатора и нормаль к поверхности окна. На фиг.5 показана проекция оптического узла 3 на рабочую поверхность 7 окна при втором варианте ориентации.

Оптическое окно 4 может иметь круглую, прямоугольную, эллиптическую или какую-либо другую форму, а также может иметь метки, нанесенные на какие-либо поверхности окна для указания направления сборки лазера.

Работа лазера может быть пояснена следующим образом. Излучение активной среды, находящейся в активном элементе 2, проходящее по оси активного элемента через оптический узел 3 с окном 4 и далее по направлению оптической оси резонатора 5, достигает одного из зеркал 1, от которого отражается в обратном направлении. Достигнув второго зеркала 1 резонатора, излучение вновь отражается и, пройдя через окно 4, достигает точки активной среды, в которой оно возникло. В активной среде интенсивность излучения усиливается. При прохождении излучения через окна 4 и отражении от зеркал 1 интенсивность его уменьшается за счет вносимых окнами и зеркалами оптических потерь. Когда коэффициент усиления превышает оптические потери возникает генерация лазерного излучения, которое выводится из резонатора за счет частичного пропускания одного из зеркал. При одинаковой мощности накачки мощность выходного лазерного излучения и КПД прибора тем выше, чем меньше оптические потери.

Прохождение излучения через оптическое окно 4 в лазере предложенной конструкции иллюстрируется фиг.7, на которой для большей наглядности окно показано в аксонометрической проекции разрезанным по двум взаимно перпендикулярным плоскостям М и N, пересекающимся по линии AД. При этом плоскость М проходит через оптическую ось резонатора 5 и нормаль 6 к рабочей поверхности окна, а плоскость N - через оптическую ось кристалла 8.

Из геометрических соотношений между отрезками АВ, ВС, ВД, и углами АСВ, СВД cледует, что угол АДВ равен arctg (tgθ/сosγ), а так как между углами θ и γ имеется взаимосвязь, определяемая соотношениями
sin θ= sin ϕcosβ,
tg γ = tg β/сosϕ , то угол АДВ оказывается равным ϕ. Следовательно, лазерное излучение, проходящее по оптической оси резонатора 5 в направлении ЕА, пройдет внутри окна точно по направлению АД, а луч АД является обыкновенным, так как ϕ- угол Брюстера, удовлетворяющий соотношению tgϕ= n_o.

Расстояние АД, пройденное лучом в окне, равно АВ/sinϕ, где АВ - толщина окна. В то же время толщина окна, выраженная через отрезок АС, совпадающий по направлению с оптической осью кристалла 8, равна АС sinθ, т.е. расстояние АД, пройденное лучом в окне, равно АС sin θ/sinϕ,следовательно, угол САД равен arccos (sinθ/sin ϕ), т.е.β. Таким образом, луч АД проходит внутри окна по направлению, составляющему угол β с оптической осью кристалла 8, при этом отсутствует вращение плоскости поляризации луча, т.е. устраняется оптическая активность (гиротропия) кристалла, и луч АД является линейно поляризованным с направлением колебаний в плоскости падения М, так как плоскость N является главным сечением кристалла, перпендикулярного к плоскости падения М.

Состояние поляризации луча не изменяется на всем протяжении пути АД, и луч выходит из окна в направлении DF с минимальными потерями, так как испытывает минимальное отражение от рабочих поверхностей 7 окна, установленного под углом Брюстера к оптической оси резонатора 5.

Оптическое окно 4 создает минимальные оптические потери только для обыкновенного луча АД (см.фиг.7), так как только для него поляризация является линейной, и направление колебаний лежит в плоскости падения М. Для излучения с другим состоянием поляризации, в частности для необыкновенного луча, оптические потери резко возрастают, вследствие чего устраняется двулучепреломление.

Устранение двулучепреломления и оптической активности (гиротропии) обеспечивает повышение степени поляризации мощности лазерного излучения, а также КПД лазера.

Если угол θ не равен arcsin x(sinϕcosβ) или угол γ не равен arctg x(tgβ/cosϕ), то при прохождении луча через окно оптические потери возрастают вследствие появления двулучепреломления и несовпадения направления колебаний в луче с плоскостью падения М (см.фиг.7). Это приводит к снижению мощности и степени поляризации излучения лазера. Если одновременно угол θ не равен arcsin (sinϕ·cos β) и угол, γ не равен arctg (tgβ /cos ϕ) но между углами θ и γ имеется взаимосвязь, удовлетворяющая условию, при котором оптическая ось кристалла 8 (фиг.7) лежит в плоскости, проходящей через направление луча АД и перпендикулярной к плоскости падения М, то двулучепреломление устраняется, но при этом появляется эллиптичность поляризации в проходящем луче АД (следствие проявления гиротропии), так как угол САД не будет равен β. В результате также снижается мощность и степень поляризации лазерного излучения.

Изобретение может быть пояснено на конкретном примере УФ газового лазера с оптическими окнами из кристаллического кварца, являющегося гиротропным двулучепреломляющим материалом. Для кварца в УФ-области спектра значение коэффициента преломления обыкновенного луча n_o равно 1,565 и определяет угол Брюстера ϕ, равный 57^o25', а угол β примерно равен 56^o10' и является величиной, независимой от длины волны, так что в предложенной конструкции лазера оптическое окно 4 имеет рабочую поверхность, составляющую с оптической осью кристалла угол 28^o, и ориентируется в резонаторе таким образом, что проекции оптической оси кристалла и оси резонатора на рабочую поверхность окна составляют угол, равный 70^o10'.

Конструкция газового лазера обеспечивает повышение мощности и степени поляризации лазерного излучения и КПД лазера. Особенно это важно для лазеров УФ-диапазона спектра, а также лазеров с малым коэффициентом усиления активной среды.

Преимущество конструкции заключается также в том, что оптические потери, вносимые окнами, практически не зависят от длины волны излучения в области спектра шириной не менее 100 манометров, что позволяет получать одновременную генерацию на нескольких длинах волн, попадающих в указанную область спектра. Независимость оптических потерь от толщины окна в лазере позволяет изготавливать окна различной толщины.

Применение предложенных газовых лазеров в производстве интегральных схем и элементов голографической оптики позволит увеличить их производительность и КПД за счет повышения мощности и степени поляризации лазерного излучения.

ГАЗОВЫЙ ЛАЗЕР, содержащий резонатор и активный элемент с оптическим узлом, включающим окно Брюстера, выполненное из гиротропного двулучепреломляющего кристалла, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности и степени поляризации излучения, рабочая поверхность окна выполнена под углом θ = arcsin(sinϕcosβ) к оптической оси кристалла и расположена в резонаторе так, что угол γ между проекциями оптической оси кристалла и оси резонатора на рабочую поверхность окна удовлетворяет условию
g = arctg (tgβ/cosϕ) ,
где ϕ - угол Брюстера;
b - угол между оптической осью кристалла и направлением,
в котором отсутствует вращение плоскости поляризации.