Лазер Советский патент 1992 года по МПК H01S3/08 

Изобретение относится к области лазерной техники, точнее, к твердотельным импульсным лазерам и может быть использовано в технологическом оборудовании, системах связи, научных исследованиях и других областях.

Известны лазеры, содержащие устойчивый оптический резонатор из двух зеркал и размещенный между ними активный элемент.

Недостатком подобных простейших систем является ограниченная яркость излучения, связанная либо с широким угловым спектром многомодовой генерации, либо с малым объемом использования активной среды в случае селекции поперечных мод.

Увеличению яркости способствует использование части объема активного элемента для выделения пучка света, близкого к одномодовому, а затем усиление его после

расширения в остальной части того же активного элемента.

Однако КПД такого лазера и энергетика его выходного излучения относительно малы в связи с потерями на используемых оптических элементах, малой эффективностью однопроходового усилителя, сложностью юстировки.

Целью изобретения является увеличение КПД и энергетической яркости излучения.

Указанная цель достигается тем, что лазер, включающий активный элемент диаметром D и устойчивый оптический резонатор в виде плоскихд глухого и выходного зеркал, снабжен сферическим вогнутым глухим зеркалом, выполненным на прозрачной, просветленной с обеих сторон выпукло-вогнутой подложке с радиусом кривизны R рабочих поверхностей и зеркальVI VI

О

ю о

ным покрытием на центральном участке диаметром d, удовлетворяющим условию d D, выходное зеркало выполнено на плоско- параллельной прозрачной и просветленной с обеих сторон подложке с центральным отверстием диаметром di, удовлетворяющим условию di d, и, сооеным с отверстием, полупрозрачным зеркальным покрытием диаметром d, при этом сферическое зеркало расположено по направлению выходного излучения из резонатора на расстоянии , от его выходного зеркала и последнее расположено от ближайшей к нему главной плоскости термической линзы активного элемента с фокусным расстоянием

DR fT на расстоянии li fT - -j-г , а глухое

зеркало резонатора лазера расположено от другой главной плоскости термической линзы активного элемента на расстоянии l2 fi

- -рт при соблюдении условий fT --;-

2fT, Ddi d2.

Схема предлагаемого устройства представлена на чертеже.

Лазер содержит активный элемент 1, выходное зеркало резонатора 2, глухое зеркало резонатора 3, сферическое зеркало 4. Кроме этого, дополнительно указаны: зеркальная область 5 сферического зеркала, полупрозрачная область 6 выходного зеркала резонатора того же диаметра и отверстие 7 диаметром di в этом зеркале.

Лазер работает следующим образом.

При создании инверсной населенности в активном элементе 1 задающий генератор лазера, оптический резонатор которого включает глухое 3 и выходное 2 плоские зеркала, излучает когерентный световой пучок, поперечное сечение которого представляет собой кольцо с внешним и.внутренним диаметрами d и di. Периферийная (наиболее обширная) область активного элемента не принимает участия в генерации, т.к. вся рабочая поверхность зеркала 2 вне зоны 7 просветлена, поэтому добротность этой части значительно ниже приосевой зоны диаметром d. Выходное излучение генератора с малой расходимостью, присущей резонатору с плоскими зеркалами, попадает на зеркальную область 5 сферического вогнутого зеркала 4, радиус кривизны которого

равен R. Расположение этого элемента на

Р расстоянии т;- от зеркала 2 обеспечивает

фокусировку отраженного излучений с перетяжкой в отверстии 7, диаметр di которого должен быть, очевидно, больше размера

AR этой перетяжки ( тщ). За зеркалом 2 происo

5

0

5

0

ходит расфокусировка светового пучка, который проходит дважды активный элемент, постепенно заполняя всю его апертуру. На выходе излучение с кольцеобразной структурой поля (внешний и внутренний диаметры равны, соответственно, О и d) проходит через просветленные части подложек зеркал 2 и 4. При этом волновой фронт этого светового пучка остается неизменным, т.к. подложки указанных элементов выполнены с нейтральным мениском (одна из них плоскопараллельная, другая - выпукло-вогнутая с одинаковыми радиусами кривизны поверхностей). Выбор расстояний И и h от главных плоскостей эквивалентной термической линзы активного элемента до, соответственно, выходного и глухого зеркал резонатора определяется необходимостью компенсации этой термической линзы с целью формирования пучка с минимальной расходимостью.

Для нахождения величины И и la можно воспользоваться матричным преобразованием световых пучков. Оптическая матрица передачи от плоскости выходного зеркала 2 через активный элемент 1 с термической линзой fT, зеркало 3 и снова активный элемент 1 к главной плоскости его линзы описывается следующим образом:

М

1

1

5

0

5

0

5

/121гН °Ь И 1°1 К1 М .Ао, W ;

11+2121т

11+(1-11)()

ITIT1И

(1)

Т f fr v TT V ТГ- Условие компенсации сферической составляющей расходимости излучения, выходящего из активного элемента с внешним диаметром D определяется в геометрическом приближении из уравнений:

и

Зг

где а - -гг. Как показывает практика, указанное приближение в данном случае вполне оправдано и не приводит к сколь-нибудь существенным ошибкам. Подставляя элементы матрицы М в уравнения (2) и решая их, получим

„.fr-lf.l2-f.-4fT2. О)

Условия, li 0 и 2 0 дают дополнительно область возможных значений параметров R, d.D:

DR

1т Ј 2fT,

(4)

при которых возможна компенсация термической линзы активного элемента. Кроме

этого, во избежание возможного понижения порога самовозбуждения лазера при высоком коэффициенте усиления, необходимо, чтобы лучи, возвращающиеся от зеркала 4 к отверстию 7 под углами, большими

ом -к (угловой размер этого отверстия), г

не попадали после двойного прохода активного элемента на зеркальную область б диаметром d. Используя матричную оптику, можно вывести выражение, соответствующее указанному условию:

|1(1-НХ1 2};Ц + z di

х

d.

(5)

Подставляя в уравнение (5) значения h и te из уравнений (3), получим простое неравенство: Ddi d2.

Предлагаемый лазер может быть использован как в режиме свободной генерации, так и в режиме модулированной добротности. В последнем случае между активным элементом 1 и глухим зеркалом 3 необходимо поместить оптический затвор (например, электрооптический или фото- тропный) с диаметром апертуры, не меньшим D. Затвор здесь работает не только по указанному назначению, но и в качестве оптической развязки, служащей для подавления самовозбуждения усилительного тракта.

Необходимо отметить также и то. что поскольку в лазере генерация и двухпрохо- довое усиление происходит на одной и той же поляризации излучения, удобно использовать в качестве активного элемента эффективные анизотропные кристаллы, например, ортоалюминат иттрия, коэффициент усиления которого существенно зависит от поляризации проходящего через него излучения.

В качестве примера можно привести конструктивные параметры твердотельного импульсного лазера на АИ: Nd . удовлетворяющего перечисленным существенным признакам. Для активного элемента АИ: Nd3 10 100 мм (D - 10 мм), диаметра зеркальной части зеркал 2 и 4 d - 3 мм, диаметра отверстия 7 di - 1 мм и ради

уса сферического зеркала R 300 мм имеем: а - 0.02 рад (1,15°). р - 100 см. Отсюда следует, что условие (4) выполняется

5 для средней мощности накачки, соответствующей установлению термических линз активного элемента с фокусами в диапазоне tV 50-100 см. При этом длины плечей резонатора меняются: li - от 0 до 50 см. 12 - от 50

tO см до 0, а общая длина резонатора лазера от зеркала 4 до зеркала 3 в диапазоне 45-70 см. Как нетрудно видеть, условие (6) при подстановке в него указанных выше значений также выполняется.

15 Формула изобретения

Лазер, включающий активный элемент диаметром D и устойчивый оптический резонатор в виде плоских глухого и выходного зеркал, о т личающийся тем, что, с целью

20 увеличения КПД и энергетической яркости излучения, он снабжен сферическим вогнутым глухим зеркалом, выполненным на прозрачной просветленной с обеих сторон выпукло-вогнутой подложке с радиусом кри25 визны R рабочих поверхностей и зеркальным покрытием на центральном участке диаметром d, удовлетворяющим условию d О, выходное зеркало выполнено на пло- скопараллельной прозрачной и просветлен30 ной с обеих сторон подложке с центральным отверстием диаметром dt, удовлетворяющим условию di d, и соосным с отверстием полупрозрачным зеркальным покрытием диаметром d, при этом сферическое зеркало

35 расположено по направлению выходного излучения из резонатора на расстоянии R/2 от его выходного зеркала, последнее распо- ложено от ближайшей к нему главной плоскости термической линзы активного

40 элемента с фокусным расстоянием Ь на расD R стоянии И - fTк-р « а глухое зеркало

резонатора лазера расположено от

другой главной плоскости термиче45 ской линзы активного элемента нарасстоd f2 янии la ft - ртк ПРИ соблюдении условий

50

ft р- 2fT, О di d2.

Использование: в лазерной технике, в твердотельных импульсных лазерах, а также в технологическом оборудовании, системах связи, научных исследованиях и других областях. Сущность: лазер содержит активный элемент с диаметром D и плоские зеркала глухое и выходное, дополнительное сферическое вогнутое зеркало с зеркальным участком диаметром d в центре зеркала, расположенное на расстоянии R/2 от выходного зеркала, в котором выполнено центральное отверстие диаметром d1. При условии D di d2 и соотношениях, связывающих конструктивные размеры с фокусным расстоянием эквивалентной термической линзы активного элемента, реализуются генерация и двухпроходовоеусиление излучения при минимальной его расходимости. 1 ил.