ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР Советский патент 1995 года по МПК H01S3/08 H01S3/11 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано при эксплуатации мощных импульсных лазеров, в которых применяются активные элементы (активные среды) со сравнительно высоким коэффициентом усиления.

Целью изобретения является уменьшение расходимости лазерного излучения и возможность преобразования прямоугольного лазерного пучка в квадратный.

На чертеже схематически изображен предлагаемый лазер.

Импульсный лазер содержит устройство 1 накачки, активный прямоугольный элемент 2, резонатор, образованный "глухим" 3 и выходным 4 плоскими зеркалами. На выходное зеркало 4 нанесены два покрытия: отражающее покрытие 5 с максимальным отражением на лазерной длине волны и просветляющее покрытие 6. Отражающее покрытие 5 расположено на участке поверхности выходного зеркала 4, находящемся на наименьшем расстоянии от глухого зеркала 3, на высоте m, равной поперечному размеру активного элемента 2, от проекции края активного элемента 2 на выходное зеркало 4 в сторону центральной оси. Выходное зеркало 4 установлено к плоскости, перпендикулярной центральной оси, проходящей через активный элемент 2 под углом α= (n m)/4(l k), где l расстояние между зеркалами 3 и 4 по центральной оси; k расстояние между активным элементом 2 и выходным зеркалом 4; m и n поперечные размеры активного элемента 2, причем n>m. За выходным зеркалом 4 перпендикулярно оси лазерного пучка установлено полупрозрачное зеркало 7 с оптимальным отражением на лазерной длине волны.

При накачке активного элемента 2 путь, проходимый излучением в активном элементе 2 (только в этом случае происходит усиление), существенно зависит от угла между направлением излучения и центральной осью 0. Для излучения, распространение которого показано на чертеже пунктирными линиями, реализуются более благоприятные условия, так как излучение совершает шесть проходов через активный элемент 2 по его длине, что и приводит к уменьшению расходимости излучения. Излучение, которое распространяется под углами, не охватываемыми приведенной формулой α (n m)/4(l k), имеет или меньшее усиление и большую расходимость, или запирается в резонаторе. Величина угла выбрана из геометрических соотношений элементов устройства. Так как отражающее покрытие 5 на выходном зеркале 4 по высоте m соответствует поперечному размеру активного элемента, то оно в лазерах с 2m≅n задает выходной пучок квадратного сечения. Кроме того, покрытие 5 уменьшает потери излучения по сравнению с использованием выходного зеркала 4 без покрытия 5, а просветляющее покрытие 6 уменьшает потери уже сформированного пучка на отражение от зеркала 4.

Установка дополнительного полупрозрачного зеркала 7 позволяет увеличить энергии излучения предлагаемого импульсного газового лазера при малой длине активного элемента 2 и(или) уменьшения коэффициента усиления активного элемента 2 за счет увеличения обратной связи в резонаторе.

Импульсный лазер работает следующим образом.

При срабатывании устройства накачки 1 в активном элементе 2 на лазерной длине волны возникает спонтанное излучение, направленное во все стороны, которое усиливается при прохождении через активный элемент 2. Путь, проходимый излучением в активном элементе 2, зависит от угла между направлением излучения и центральной осью 0. Для излучения, направление которого определяется глухим зеркалом 3, отражающим покрытием 5, углом α выходного зеркала 4 (путь лучей показан стрелками), реализуются наиболее благоприятные условия для усиления, так как излучение совершает шесть проходов через активный элемент 2 по его максимальному размеру, что приводит к уменьшению расходимости излучения. Установка дополнительного полупрозрачного зеркала 7 увеличивает обратную связь и позволяет снизить порог генерации при уменьшении коэффициента усиления, например, вследствие уменьшения мощности накачки.

Испытание предлагаемого изобретения и сравнение его с прототипом проводились на λ 308 нм в смесях He Xe HCl и Ne Xe HCl. Длина активного элемента (активной области) составляла 20 см, расстояние между зеркалами по центральной оси l 30 см, k 5 см. Высота активного элемента (активной области) составила n 1,4 см, а его ширина m 0,5 см. Угол α 9 мрад. Полупрозрачное зеркало 7 имело коэффициент отражения на лазерной длине волны ≈20 Испытания проводились для различных мощностей накачки, которые определяли коэффициент усиления активного элемента. Мощности накачки задавались зарядным напряжением U_о емкостного накопителя генератора 1 накачки.

При U_о 35 кВ и угле α 28 мрад, который соответствует углу, используемому в прототипе, было получено излучение с энергией ≈3 мДж и расходимостью (2 х 3) мрад. При U_о 35 кВ в заявляемом лазере при α 9 мрад расходимость излучения составила 1,5 х 1,5 мрад при энергии ≈4 мДж, при этом выходной пучок излучения имел квадратное сечение ≈0,5 х 0,5 см. При установке полупрозрачного зеркала 7 при U_о35 кВ была также зарегистрирована энергия излучения ≈4 мДж и расходимость ≈2 х 2 мрад, а при U_о 25 кВ из-за уменьшения коэффициента усиления энергии излучения увеличилась на ≈20 По сравнению с прототипом при этом же напряжении энергия излучения увеличилась на ≈60 а расходимость уменьшилась с 2 х 3 мрад до ≈1,8 х 1,8 мрад. При увеличении угла α относительно заявляемого значения более чем на 10 наблюдалось уменьшение энергии излучения также более, чем на 10 а лазерный пучок из квадратного начинал преобразовываться в прямоугольный. При уменьшении угла α относительно заявляемого значения более чем на 10 расходимость выходного пучка начинала увеличиваться, а доля энергии излучения с малой расходимостью уменьшаться.

Таким образом, предлагаемый импульсный лазер позволил уменьшить расходимость лазерного излучения (≈1,5 раза), увеличить долю энергии излучения с малой расходимостью (на ≈30 60) и преобразовать прямоугольный пучок в квадратный.

Использование: в лазерной технике, при эксплуатации мощных импульсных лазеров, в которых применяются активные элементы с высоким коэффициентом усиления. Цель: уменьшение расходимости лазерного излучения, возможность преобразования прямоугольного лазерного пучка в квадратный, увеличение энергии излучения. Сущность изобретения: импульсный лазер содержит устройство 1 накачки, активный элемент 2, резонатор, образованный глухим 3 и выходным 4 плоскими зеркалами. Выходное зеркало 4 установлено под углом α=(n-m)/4l-k к плоскости, перпендикулярной центральной оси, проходящей через активный элемент 2, где m и n поперечные размеры активного элемента (n > m), l - расстояние между зеркалами по центральной оси, k расстояние между активным элементом 2 и выходным зеркалом по центральной оси 4. На выходное зеркало 4 занесены просветляющее покрытие 6 и отражающее покрытие 5 с максимальным отражением на лазерной длине волны, которое расположено на наименьшем расстоянии от глухого 3 зеркала на высоте m от проекции края активного элемента 2 на выходное зеркало 4 в сторону центральной оси. За выходным зеркалом 4 перпендикулярно оси лазерного пучка установлено полупрозрачное зеркало 7 с оптимальным отражением на лазерной длине волны. Положительный эффект: уменьшение расходимости лазерного излучения, возможность преобразования прямоугольного лазерного пучка в квадратный, увеличение энергии излучения. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ИМПУЛЬСНЫЙ ЛАЗЕР, содержащий устройство накачки, активный элемент, резонатор, образованный глухим плоским зеркалом и выходным плоским зеркалом, установленным под углом α к плоскости, перпендикулярной центральной оси, проходящей через активный элемент, отличающийся тем, что, с целью уменьшения расходимости лазерного излучения и возможности преобразования прямоугольного лазерного пучка в квадратный, на выходное зеркало нанесены просветляющее покрытие, а также покрытие с максимальным отражением на лазерной длине волны, расположенное на участке поверхности выходного зеркала, находящемся на наименьшем расстоянии от глухого зеркала, на высоте m, равной поперечному размеру активного элемента, от проекции края активного элемента на выходное зеркало в сторону центральной оси, а угол a выбран из соотношения
a = (n-m)/4(l-k),
где l расстояние между зеркалами по центральной оси;
k расстояние между активным элементом и выходным зеркалом по центральной оси;
m и n поперечные размеры активного элемента, причем n > m. 2. Импульсный лазер по п.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения энергии излучения, за выходным зеркалом резонатора перпендикулярно оси лазерного пучка установлено полупрозрачное зеркало с оптимальным отражением на лазерной длине волны.